Qu’est-ce que l’interaction des neutrons avec la matière – Définition

Les neutrons peuvent interagir avec la matière de plusieurs manières. Les neutrons sont des particules neutres, donc ils entrent en collision avec des noyaux, pas avec des atomes. Interactions des neutrons avec la matière. Dosimétrie des rayonnements

Interactions des neutrons avec la matière

Les neutrons sont des particules neutres, ils voyagent donc en ligne droite , ne s’écartant de leur trajectoire que lorsqu’ils entrent en collision avec un noyau pour être dispersés dans une nouvelle direction ou absorbés. Ni les électrons entourant (nuage d’électrons atomiques) un noyau ni le champ électrique provoqué par un noyau chargé positivement n’affectent le vol d’un neutron. En bref, les neutrons entrent en collision avec les noyaux , pas avec les atomes. Une caractéristique très descriptive de la transmission des neutrons à travers la matière en vrac est la longueur moyenne du libre parcours ( λ – lambda ), qui est la distance moyenne parcourue par un neutron entre les interactions. Il peut être calculé à partir de l’équation suivante:

λ = 1 / Σ

Les neutrons peuvent interagir avec les noyaux de l’une des manières suivantes:

Neutron - Réactions nucléaires

Types de réactions neutron-nucléaires

  • Réaction de diffusion élastique
  • Réaction de diffusion inélastique
  • Absorption des neutrons
  • Capture radiative
  • Fission nucléaire
  • Émission de neutrons
  • Éjection de particules chargées

 

Section de neutrons

Section de neutrons
Coupes transversales typiques de matériau de fission. Le ralentissement des neutrons entraîne une augmentation de la probabilité d’interaction (par exemple, réaction de fission).

La mesure dans laquelle les neutrons interagissent avec les noyaux est décrite en termes de quantités appelées sections efficaces . Les coupes transversales sont utilisées pour exprimer la probabilité d’une interaction particulière entre un neutron incident et un noyau cible . Il convient de noter que cette probabilité ne dépend pas des dimensions cibles réelles. Associé au flux neutronique, il permet de calculer la vitesse de réaction, par exemple pour dériver la puissance thermique d’une centrale nucléaire. L’unité standard pour mesurer la section microscopique ( σ-sigma ) est la grange , qui est égale à 10 -28  m 2. Cette unité est très petite, donc les granges (abrégées en «b») sont couramment utilisées. La section microscopique peut être interprétée comme la «zone cible» effective qu’un noyau interagit avec un neutron incident.

Une coupe macroscopique est dérivée de la microscopie et de la densité du matériau:

 Σ = σ.N

 Ici, σ, qui a des unités de m 2 , est appelé la section microscopique. Puisque les unités de N (densité de noyaux) sont des noyaux / m 3 , la section transversale macroscopique Σ  a des unités de -1 , donc en fait, c’est un nom incorrect, car ce n’est pas une unité correcte de sections transversales.

Les sections efficaces des neutrons constituent un paramètre clé du combustible nucléaire. Les sections efficaces de neutrons doivent être calculées pour les assemblages de combustible frais, généralement dans des modèles bidimensionnels du réseau de combustible.

 La section efficace neutronique est variable et dépend de:

  • Noyau cible (hydrogène, bore, uranium, etc.) Chaque isotope a son propre ensemble de sections efficaces.
  • Type de réaction (capture, fission, etc.). Les coupes transversales sont différentes pour chaque réaction nucléaire.
  • Énergie neutronique (neutron thermique, neutron de résonance, neutron rapide). Pour une cible et un type de réaction donnés, la section efficace dépend fortement de l’énergie neutronique. Dans le cas courant, la section efficace est généralement beaucoup plus grande à basse énergie qu’à haute énergie. C’est pourquoi la plupart des réacteurs nucléaires utilisent un modérateur de neutrons pour réduire l’énergie du neutron et ainsi augmenter la probabilité de fission, indispensable pour produire de l’énergie et entretenir la réaction en chaîne.
  • Énergie cible (température du matériau cible – élargissement Doppler) Cette dépendance n’est pas si importante, mais l’énergie cible influence fortement la sûreté inhérente des réacteurs nucléaires en raison d’un élargissement Doppler des résonances.

Voir aussi: JANIS (logiciel d’information nucléaire basé sur Java) 

Voir aussi: section des neutrons

Loi 1 / v

1 / v Loi
Pour les neutrons thermiques (dans la région 1 / v), les sections efficaces d’absorption augmentent à mesure que la vitesse (énergie cinétique) du neutron diminue.
Source: JANIS 4.0

Pour les neutrons thermiques ( dans la région 1 / v ), les sections efficaces d’absorption augmentent à mesure que la vitesse (énergie cinétique) du neutron diminue. Par conséquent, la loi 1 / v peut être utilisée pour déterminer le décalage de la section efficace d’absorption, si le neutron est en équilibre avec un milieu environnant. Ce phénomène est dû au fait que la force nucléaire entre le noyau cible et le neutron a un temps d’interaction plus long.

sigma_a sim frac {1} {v}}} sim frac {1} {sqrt {E}}}}} sim frac {1} {sqrt {T}}}}}

Cette loi n’est applicable que pour la section efficace d’absorption et uniquement dans la région 1 / v.

Exemple de sections transversales dans la région 1 / v:

La section efficace d’absorption pour 238U à 20 ° C = 293K (~ 0,0253 eV) est:

sigma_a (293K) = 2,68b .

La section d’absorption pour 238U à 1000 ° C = 1273K est égale à:

Section de neutrons - loi 1-v

Cette réduction de la section transversale est due uniquement au décalage de température du milieu environnant.

Capture de neutrons par résonance

Pics de résonance pour la capture radiative d'U238.
Pics de résonance pour la capture radiative d’U238. Aux énergies de résonance, la probabilité de capture peut être plus de 100 fois supérieure à la valeur de base.
Source: programme JANIS

La section efficace d’absorption dépend souvent fortement de l’énergie neutronique. A noter que la fission nucléaire produit des neutrons d’une énergie moyenne de 2 MeV (200 TJ / kg, soit 20 000 km / s). Le neutron peut être grossièrement divisé en trois gammes d’énergie:

  • Neutron rapide. (10MeV – 1keV)
  • Neutron de résonance (1keV – 1eV)
  • Neutron thermique. (1eV – 0,025eV)

Les neutrons de résonance sont appelés résonance pour leur comportement particulier. Aux énergies de résonance, la section efficace peut 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. Par conséquent, il est 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.

Élargissement Doppler

 

effet Doppler
L’effet Doppler améliore la stabilité du réacteur. Une résonance élargie (chauffage d’un combustible) entraîne une probabilité plus élevée d’absorption, ce qui entraîne une insertion de réactivité négative (réduction de la puissance du réacteur).

Un élargissement Doppler des résonances est un phénomène très important, ce qui améliore la stabilité du réacteur . Le coefficient de température rapide de la plupart des réacteurs thermiques est négatif , en raison d’un effet Doppler nucléaire. Bien que la section efficace d’absorption dépend de manière significative de l’énergie neutronique incidente, la forme de la courbe de section dépend également de la température cible.

Les noyaux sont situés dans des atomes qui sont eux-mêmes en mouvement continu en raison de leur énergie thermique. À la suite de ces mouvements thermiques, les neutrons qui frappent une cible apparaissent aux noyaux de la cible comme ayant une propagation continue d’énergie. Ceci, à son tour, a un effet sur la forme de résonance observée. La résonance devient plus courte et plus large que lorsque les noyaux sont au repos.

Bien que la forme d’une résonance change avec la température, la surface totale sous la résonance reste essentiellement constante. Mais cela n’implique pas une absorption constante des neutrons . Malgré la surface constante sous résonance, une intégrale de résonance , qui détermine l’absorption, augmente avec l’augmentation de la température cible. Ceci, bien sûr, diminue le coefficient k (une réactivité négative est insérée).

Coupes transversales types de matériaux dans le réacteur

Le tableau suivant montre les coupes neutroniques des isotopes les plus courants du cœur du réacteur.

Tableau des coupes
Tableau des coupes

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: [email protected] ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci