Qu’est-ce que le neutron rapide – Neutron à haute énergie – Définition

Les neutrons libres peuvent être classés en fonction de leur énergie cinétique. Cette énergie est généralement donnée en électron-volts (eV). Le terme température peut également décrire cette énergie représentant l’équilibre thermique entre un neutron et un milieu à une certaine température.

Énergies cinétiques des neutrons – Neutrons rapides

• Neutrons froids  (0 eV; 0,025 eV). Neutrons en équilibre thermique avec un environnement très froid comme le deutérium liquide. Ce spectre est utilisé pour des expériences de diffusion de neutrons.
• Neutrons thermiques . Neutrons en équilibre thermique avec un milieu environnant. L’énergie la plus probable à 20 ° C (68 ° F) pour la distribution maxwellienne est de  0,025 eV  (~ 2 km / s). Cette partie du spectre d’énergie des neutrons constitue la partie la plus importante du spectre  dans les réacteurs thermiques .
• Neutrons épithermaux  (0,025 eV; 0,4 eV). Neutrons d’énergie cinétique supérieure à thermique. Certaines conceptions de réacteurs fonctionnent avec le spectre des neutrons épithermaux. Cette conception permet d’atteindre un taux de production de combustible plus élevé que dans les réacteurs thermiques.

• 

  Neutrons de cadmium  (0,4 eV; 0,5 eV). Neutrons d’énergie cinétique en dessous de l’énergie de  coupure de cadmium  . Un isotope du cadmium,  ¹¹³ Cd, n’absorbe fortement les neutrons que s’ils sont inférieurs à ~ 0,5 eV (énergie de coupure du cadmium).

• Neutrons d’épicadmium  (0,5 eV; 1 eV). Neutrons d’énergie cinétique au-dessus de l’énergie de  coupure de cadmium . Ces neutrons ne sont pas absorbés par le  cadmium .
• Neutrons lents  (1 eV; 10 eV).
• Neutrons de résonance  (10 eV; 300 eV). Les neutrons de résonance  sont appelés résonance pour leur comportement particulier. Aux énergies de résonance, les  sections efficaces peuvent atteindre des pics plus de 100 fois plus élevés que la valeur de base de la section efficace. À ces énergies, la capture de neutrons dépasse considérablement une probabilité de  fission . Il est donc très important (pour les réacteurs thermiques) de surmonter rapidement cette gamme d’énergie et de faire fonctionner le réacteur avec des neutrons thermiques, ce qui augmente la probabilité de fission.
• Neutrons intermédiaires  (300 eV; 1 MeV).
• Neutrons rapides  (1 MeV; 20 MeV). Les neutrons d’énergie cinétique supérieure à 1 MeV (~ 15 000 km / s) sont généralement appelés neutrons de fission. Ces neutrons sont produits par des processus nucléaires tels que la fission nucléaire ou des réactions (ɑ, n)  . Les neutrons de fission ont une distribution d’énergie de Maxwell-Boltzmann avec une énergie moyenne (pour la fission de  ²³⁵ U ) 2 MeV. À l’intérieur d’un  réacteur nucléaire,  les neutrons rapides sont ralentis vers les énergies thermiques via un processus appelé  modération neutronique .
• Neutrons relativistes  (20 MeV; ->)

La physique du réacteur  n’a pas besoin de cette fine division des énergies neutroniques. Les neutrons peuvent être grossièrement (à des fins de physique des réacteurs) divisés en trois gammes d’énergie:

• Neutrons thermiques  (0,025 eV – 1 eV).
• Neutrons de résonance  (1 eV – 1 keV).
• Neutrons rapides  (1 keV – 10 MeV).

Même la plupart des codes de calcul des réacteurs n’utilisent que deux groupes d’énergie neutronique:

• Groupe de neutrons lents  (0,025 eV – 1 keV).
• Groupe de neutrons rapides  (1 keV – 10 MeV).

Voir aussi:  Neutron Energy

Classification des réacteurs selon le spectre de flux de neutrons

Voir aussi: Spectre de flux de neutrons

Du point de vue physique, les principales différences entre les  types de réacteurs  proviennent des différences dans leurs  spectres d’énergie neutronique . En fait, la  classification de base  des  réacteurs nucléaires  est basée sur l’énergie moyenne des neutrons qui causent la majeure partie des  fissions  dans le  cœur du réacteur . De ce point de vue, les réacteurs nucléaires sont divisés en  deux catégories :

• Réacteurs thermiques.  Presque tous les réacteurs actuels construits à ce jour utilisent des  neutrons thermiques  pour soutenir la  réaction en chaîne . Ces réacteurs contiennent un  modérateur de neutrons  qui ralentit les neutrons de la fission jusqu’à ce que leur énergie cinétique soit plus ou moins en  équilibre thermique  avec les atomes (E <1 eV) du système.
• Réacteurs à neutrons rapides .  Les réacteurs rapides ne contiennent pas de modérateur de neutrons  et utilisent  des réfrigérants primaires moins modérateurs , car ils utilisent  des neutrons rapides  (E> 1 keV), pour provoquer la fission dans leur combustible.

Comparaison des spectres de neutrons dans un LWR typique   et un réacteur surgénérateur rapide refroidi au sodium . Il  convient de noter que le  spectre du réacteur rapide est fortement affecté par la  section efficace de diffusion élastique  du liquide de refroidissement utilisé.

Les principales différences entre ces deux types sont, bien sûr, dans  les sections efficaces des neutrons , qui présentent une dépendance énergétique importante  . Il peut être caractérisé par un rapport  capture-fission , qui est  plus faible dans les réacteurs rapides . Il existe également une différence dans le  nombre de neutrons produits par une fission , qui est plus élevée dans les réacteurs rapides que dans les réacteurs thermiques. Ces différences très importantes sont principalement dues à des  différences de flux de neutrons . Par conséquent, il est très important de connaître la distribution détaillée de l’énergie neutronique dans un cœur de réacteur.

Détection de neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation

Les neutrons étant  des particules électriquement neutres,  ils sont principalement soumis à de  fortes forces nucléaires  mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et ils doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).

Les chambres d’ionisation sont souvent utilisées comme dispositif de détection des particules chargées. Par exemple, si la surface intérieure de la chambre d’ionisation est recouverte d’une fine couche de bore, la réaction (n, alpha) peut avoir lieu. La plupart des réactions (n, alpha) des neutrons thermiques sont des réactions  10B (n, alpha) 7Li  accompagnées d’ une émission gamma de 0,48 MeV  .

De plus, l’isotope bore-10 a une section efficace de réaction (n, alpha) élevée sur tout  le spectre d’énergie neutronique . La particule alpha provoque l’ionisation à l’intérieur de la chambre et les électrons éjectés provoquent d’autres ionisations secondaires.

Une autre méthode pour détecter les neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation consiste à utiliser le trifluorure de bore gazeux   (BF ₃ ) au lieu de l’air dans la chambre. Les neutrons entrants produisent des particules alpha lorsqu’ils réagissent avec les atomes de bore dans le gaz détecteur. L’une ou l’autre méthode peut être utilisée pour détecter des neutrons dans un réacteur nucléaire. Il convient de noter que les  compteurs BF ₃ sont généralement utilisés dans la région proportionnelle.

Détection de neutrons à l’aide d’un compteur à scintillation

Les neutrons étant des particules électriquement neutres, ils sont principalement soumis à de fortes forces nucléaires mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et ils doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. En général, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement commun détectable) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.). Les neutrons rapides (> 0,5 MeV) dépendent principalement du proton de recul dans les réactions (n, p). Matériaux riches en hydrogène, par exemple scintillateurs plastiques, sont donc les mieux adaptés à leur détection. Les neutrons thermiques dépendent de réactions nucléaires telles que les réactions (n, γ) ou (n, α) pour produire l’ionisation. Les matériaux tels que LiI (Eu) ou les silicates de verre sont donc particulièrement bien adaptés à la détection des neutrons thermiques.