Qu’est-ce que le neutron
Un neutron est l’une des particules subatomiques qui composent la matière. Dans l’univers, les neutrons sont abondants, constituant plus de la moitié de toute la matière visible. Il n’a pas de charge électrique et une masse au repos égale à 1,67493 × 10−27 kg – légèrement supérieure à celle du proton mais près de 1839 fois supérieure à celle de l’électron. Le neutron a un rayon carré moyen d’environ 0,8 × 10−15 m, ou 0,8 fm, et c’est un fermion de spin ½.
Les neutrons existent dans les noyaux des atomes typiques, avec leurs homologues chargés positivement, les protons. Les neutrons et les protons, communément appelés nucléons, sont liés ensemble dans le noyau atomique, où ils représentent 99,9 % de la masse de l’atome. Les recherches en physique des particules de haute énergie au XXe siècle ont révélé que ni le neutron ni le proton ne sont le plus petit élément constitutif de la matière. Les protons et les neutrons ont aussi leur structure. A l’intérieur des protons et des neutrons, on trouve de véritables particules élémentaires appelées quarks. Dans le noyau, les protons et les neutrons sont liés par la force forte, une interaction fondamentale qui régit le comportement des quarks qui composent les protons et les neutrons individuels.
Une stabilité nucléaire est déterminée par la compétition entre deux interactions fondamentales. Les protons et les neutrons s’attirent par une force puissante. D’autre part, les protons se repoussent via la force électrique en raison de leur charge positive. Par conséquent, les neutrons à l’intérieur du noyau agissent un peu comme de la colle nucléaire, les neutrons s’attirent et les protons, ce qui aide à compenser la répulsion électrique entre les protons. Il n’y a que certaines combinaisons de neutrons et de protons, qui forment des noyaux stables. Par exemple, le nucléide le plus commun de l’élément chimique commun plomb (Pb) a 82 protons et 126 neutrons.
En raison de la force de la force nucléaire à courte distance, l’énergie de liaison nucléaire (l’énergie nécessaire pour désassembler un noyau d’un atome en ses composants) des nucléons est supérieure de plus de sept ordres de grandeur à l’énergie électromagnétique liant les électrons dans les atomes. Les réactions nucléaires (telles que la fission nucléaire ou la fusion nucléaire) ont donc une densité d’énergie supérieure à 10 000 000 fois celle des réactions chimiques.
La connaissance du comportement et des propriétés des neutrons est essentielle à la production d’ énergie nucléaire. Peu de temps après la découverte du neutron en 1932, on s’est vite rendu compte que les neutrons pouvaient agir pour former une réaction nucléaire en chaîne. Lorsque la fission nucléaire a été découverte en 1938, il est devenu clair que, si une réaction de fission produisait des neutrons libres, chacun de ces neutrons pourrait provoquer une autre réaction de fission dans une cascade connue sous le nom de réaction en chaîne. La connaissance des sections efficaces (le paramètre clé représentant la probabilité d’interaction entre un neutron et un noyau) est devenue cruciale pour la conception des cœurs de réacteurs et de la première arme nucléaire (Trinity, 1945).
Une percée expérimentale a eu lieu en 1930 avec l’observation de Bothe et Becker. Ils ont découvert que si les particules alpha très énergétiques émises par le polonium tombaient sur certains éléments légers, en particulier le béryllium, le bore ou le lithium, un rayonnement pénétrant inhabituellement a été produit. Comme ce rayonnement n’était pas influencé par un champ électrique (les neutrons n’ont pas de charge), ils ont supposé qu’il s’agissait de rayons gamma (mais beaucoup plus pénétrants). Il a été montré (Curie et Joliot) que lorsqu’une cible de paraffine avec ce rayonnement est bombardée, elle éjecte des protons d’une énergie d’environ 5,3 MeV. La paraffine est riche en hydrogène et offre donc une cible dense en protons (puisque les neutrons et les protons ont une masse presque égale, les protons se dispersent énergétiquement à partir des neutrons). Ces résultats expérimentaux étaient difficiles à interpréter. James Chadwick a pu prouver que la particule neutre ne pouvait pas être un photon en bombardant des cibles autres que l’hydrogène, notamment l’azote, l’oxygène, l’hélium et l’argon. Non seulement ceux-ci étaient incompatibles avec l’émission de photons pour des raisons d’énergie, mais la section efficace car les interactions étaient des ordres de grandeur supérieurs à ceux de la diffusion Compton par les photons. À Rome, le jeune physicien Ettore Majorana a suggéré que la manière dont le nouveau rayonnement interagissait avec les protons nécessitait une nouvelle particule neutre.
La tâche consistait à déterminer la masse de cette particule neutre. James Chadwick a choisi de bombarder le bore avec des particules alpha et d’analyser l’interaction des particules neutres avec l’azote. Ces cibles particulières ont été choisies en partie parce que les masses de bore et d’azote étaient bien connues. En utilisant la cinématique, Chadwick a pu déterminer la vitesse des protons. Puis, grâce aux techniques de conservation de la quantité de mouvement, il a pu déterminer que la masse du rayonnement neutre était presque exactement la même que celle d’un proton. En 1932, Chadwick a proposé que la particule neutre était le neutron de Rutherford. En 1935, il reçoit le prix Nobel pour sa découverte.
Voir aussi: Découverte du Neutron
Structure du neutron
Les neutrons et les protons sont classés en hadrons, particules subatomiques soumises à la force forte et en baryons puisqu’ils sont composés de trois quarks. Le neutron est une particule composée de deux quarks down de charge −⅓ e et d’un quark up de charge +⅔ e. Puisque le neutron n’a pas de charge électrique nette, il n’est pas affecté par les forces électriques, mais le neutron a une légère distribution de charge électrique en son sein. Il en résulte un moment magnétique non nul (moment dipolaire) du neutron. Par conséquent, le neutron interagit également via une interaction électromagnétique, mais beaucoup plus faible que le proton.
La masse du neutron est de 939,565 MeV/c2, alors que la masse des trois quarks n’est que d’environ 12 MeV/c2 (seulement environ 1 % de la masse-énergie du neutron). Comme le proton, la majeure partie de la masse (énergie) du neutron se présente sous la forme d’énergie de force nucléaire forte (gluons). Les quarks du neutron sont maintenus ensemble par des gluons, les particules échangeuses de la force nucléaire forte. Les gluons portent la charge de couleur de la force nucléaire forte.
Voir aussi: Structure du Neutron
Propriétés du neutron
Les principales propriétés des neutrons sont résumées ci-dessous:
- Le rayon carré moyen d’un neutron est d’environ 0,8 x 10-15 m (0,8 fermi)
- La masse du neutron est de 939,565 MeV/c2
- Les neutrons sont des particules à ½ spin – statistiques fermioniques
- Les neutrons sont des particules neutres – sans charge électrique nette.
- Les neutrons ont un moment magnétique non nul.
- Les neutrons libres (à l’extérieur d’un noyau) sont instables et se désintègrent par désintégration bêta. La désintégration du neutron implique l’interaction faible et est associée à une transformation de quark (un quark down est converti en un quark up).
- La durée de vie moyenne d’un neutron libre est de 882 secondes (c’est-à-dire que la demi-vie est de 611 secondes).
- Un fond neutronique naturel de neutrons libres existe partout sur Terre et est causé par les muons produits dans l’atmosphère, où les rayons cosmiques de haute énergie entrent en collision avec des particules de l’atmosphère terrestre.
- Les neutrons ne peuvent pas provoquer directement l’ ionisation. Les neutrons n’ionisent la matière qu’indirectement.
- Les neutrons peuvent parcourir des centaines de mètres dans l’air sans aucune interaction. Le rayonnement neutronique est très pénétrant.
- Les neutrons déclenchent la fission nucléaire.
- Le processus de fission produit des neutrons libres (2 ou 3).
- Les neutrons thermiques ou froids ont des longueurs d’onde similaires aux espacements atomiques. Ils peuvent être utilisés dans des expériences de diffraction de neutrons pour déterminer la structure atomique et/ou magnétique d’un matériau.
Voir aussi: Propriétés du Neutron
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 diffusés 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 des noyaux, pas avec des 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:
Types de réactions neutron-nucléaires
Détection de neutrons
Les neutrons étant des particules électriquement neutres, ils sont principalement soumis à des forces nucléaires fortes mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont pas directement ionisants et doivent généralement être convertis en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Généralement, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en un rayonnement détectable commun) et d’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur à semi-conducteur, etc.).
Convertisseurs de neutrons
Deux types fondamentaux d’interactions neutroniques avec la matière sont disponibles à cet effet:
- Diffusion élastique. Le neutron libre peut être diffusé par un noyau, transférant une partie de son énergie cinétique au noyau. Si le neutron a suffisamment d’énergie pour disperser les noyaux, le noyau en recul ionise le matériau entourant le convertisseur. En fait, seuls les noyaux d’hydrogène et d’hélium sont suffisamment légers pour une application pratique. La charge produite de cette manière peut être collectée par le détecteur conventionnel pour produire un signal détecté. Les neutrons peuvent transférer plus d’énergie aux noyaux légers. Cette méthode est appropriée pour détecter les neutrons rapides (les neutrons rapides n’ont pas de section efficace pour l’absorption) permettant la détection de neutrons rapides sans modérateur.
- Absorption des neutrons. Il s’agit d’une méthode courante permettant la détection de neutrons de tout le spectre d’énergie . Cette méthode est basée sur une variété de réactions d’absorption (capture radiative, fission nucléaire, réactions de réarrangement, etc.). Le neutron est ici absorbé par le matériau cible (convertisseur) émettant des particules secondaires telles que des protons, des particules alpha, des particules bêta, des photons (rayons gamma) ou des fragments de fission. Certaines réactions sont des réactions à seuil (nécessitant une énergie minimale de neutrons), mais la plupart des réactions se produisent à des énergies épithermiques et thermiques. Cela signifie que la modération des neutrons rapides est nécessaire, ce qui entraîne une mauvaise information énergétique des neutrons. Les noyaux les plus courants pour le matériau du convertisseur de neutrons sont :
- 10B (n,α). Où la section efficace de capture de neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 3820 granges et le bore naturel a une abondance de 10B 19,8%.
- 3Il (n,p). Où la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 5350 granges et l’hélium naturel a une abondance de 3He 0,014 %.
- 6Li (n,α). Où la section efficace de capture des neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 925 granges et le lithium naturel a une abondance de 6Li 7,4 %.
- 113Cd (n,ɣ). Où la section efficace de capture de neutrons pour les neutrons thermiques est σ = 20820 granges et le cadmium naturel a une abondance de 113 Cd 12,2%.
- 235U (n,fission). Où la section efficace de fission pour les neutrons thermiques est σ = 585 granges et l’ uranium naturel a une abondance de 235U 0,711 %. L’uranium en tant que convertisseur produit des fragments de fission qui sont des particules chargées lourdes. Cela a un avantage significatif. Les particules chargées lourdes (fragments de fission) créent un signal de sortie élevé, car les fragments déposent une grande quantité d’énergie dans un volume sensible du détecteur. Ceci permet une discrimination aisée du rayonnement de fond (rayonnement gamma ei). Cette caractéristique importante peut être utilisée par exemple dans une mesure de puissance d’un réacteur nucléaire, où le champ neutronique s’accompagne d’un fond gamma important.
Voir aussi: Détection des neutrons
Sources de neutrons
Une source de neutrons est tout appareil qui émet des neutrons. Les sources de neutrons ont de nombreuses applications, elles peuvent être utilisées dans la recherche, l’ingénierie, la médecine, l’exploration pétrolière, la biologie, la chimie et l’énergie nucléaire. Une source de neutrons est caractérisée par un certain nombre de facteurs:
- Importance de la source
- Intensité. Le taux de neutrons émis par la source.
- Répartition énergétique des neutrons émis.
- Distribution angulaire des neutrons émis.
- Mode d’émission. Fonctionnement continu ou pulsé.
Classification par importance de la source
- Grandes sources de neutrons (significatives)
- Réacteurs nucléaires. Certains noyaux peuvent subir spontanément une fission, mais seuls certains noyaux, comme l’uranium-235, l’uranium-233 et le plutonium-239, peuvent subir une réaction de fission en chaîne. En effet, ces noyaux libèrent des neutrons lorsqu’ils se séparent, et ces neutrons peuvent induire la fission d’autres noyaux. L’uranium-235 qui existe sous forme de 0,7% de l’uranium naturel subit une fission nucléaire avec des neutrons thermiques avec la production de 2,4 neutrons rapides en moyenne et la libération de ~ 180 MeV d’énergie par fission. Les neutrons libres libérés par chaque fission jouent un rôle très important en tant que déclencheur de la réaction, mais ils peuvent également être utilisés à d’autres fins. Par exemple : un neutron est nécessaire pour déclencher une autre fission. Une partie des neutrons libres (disons 0,5 neutron/fission) est absorbée dans un autre matériau, mais un excès de neutrons (0,9 neutron/fission) peut quitter la surface du cœur du réacteur et peut être utilisé comme source de neutrons.
-
- Systèmes fusionnés. La fusion nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle deux ou plusieurs noyaux atomiques (par exemple D+T) entrent en collision à une énergie très élevée et fusionnent. Ton sous-produit de la fusion DT est un neutron libre (voir photo), donc aussi la réaction de fusion nucléaire a le potentiel de produire de grandes quantités de neutrons.
- Sources de spallation. Une source de spallation est une source de neutrons à flux élevé dans laquelle des protons qui ont été accélérés à des énergies élevées frappent un matériau cible lourd, provoquant l’émission de neutrons. La réaction se produit au-dessus d’un certain seuil d’énergie pour la particule incidente, qui est généralement de 5 à 15 MeV.
- Sources de neutrons moyens
- Bremssstrahlung des accélérateurs d’électrons / Photofission. Lorsqu’ils sont ralentis rapidement dans une cible lourde, les électrons énergétiques émettent un rayonnement gamma intense pendant le processus de décélération. Ceci est connu sous le nom de Bremsstrahlung ou rayonnement de freinage. L’interaction du rayonnement gamma avec la cible produit des neutrons via la réaction (γ,n), ou la réaction (γ,fission) lorsqu’une cible fissile est utilisée. e-→Pb → γ→ Pb →(γ,n) et (γ,fission). L’énergie de Bremsstrahlung γ dépasse l’énergie de liaison du « dernier » neutron dans la cible. Une puissance de source de 10 13 neutrons/seconde produite en impulsions courtes (c’est-à-dire < 5 μs) peut être facilement réalisée.
- Focalisation plasma dense. Le foyer de plasma dense (DPF) est un dispositif reconnu comme une source efficace de neutrons issus des réactions de fusion. Le mécanisme de concentration de plasma dense (DPF) est basé sur la fusion nucléaire de plasma de courte durée de deutérium et/ou de tritium. Cet appareil produit un plasma de courte durée par compression et accélération électromagnétique que l’on appelle un pincement. Ce plasma est à la rigueur suffisamment chaud et dense pour provoquer la fusion nucléaire et l’émission de neutrons.
- Accélérateurs d’ions légers. Les neutrons peuvent également être produits par des accélérateurs de particules utilisant des cibles de deutérium, de tritium, de lithium, de béryllium et d’autres matériaux à faible Z. Dans ce cas, la cible doit être bombardée avec des noyaux accélérés d’hydrogène (H), de deutérium (D) ou de tritium (T).
- Petites sources de neutrons
- Générateurs de neutrons. Les neutrons sont produits lors de la fusion du deutérium et du tritium dans la réaction exothermique suivante. 2D + 3T → 4He + n + 17,6 MeV. Le neutron est produit avec une énergie cinétique de 14,1 MeV. Cela peut être réalisé à petite échelle en laboratoire avec un modeste accélérateur de 100 kV pour les atomes de deutérium bombardant une cible de tritium. Des sources de neutrons continues de ~1011 neutrons/seconde peuvent être obtenues relativement simplement.
- Source de radio-isotopes – réactions (α,n). Dans certains isotopes légers, le «dernier» neutron du noyau est faiblement lié et est libéré lorsque le noyau composé formé à la suite du bombardement de particules α se désintègre. Le bombardement du béryllium par des particules α conduit à la production de neutrons par la réaction exothermique suivante: 4He + 9Be → 12C + n + 5,7 MeV. Cette réaction donne une faible source de neutrons avec un spectre d’énergie ressemblant à celui d’une source de fission et est utilisée de nos jours dans les sources de neutrons portables. Le radium, le plutonium ou l’américium peuvent être utilisés comme émetteur α.
- Source de radio-isotopes – réactions (γ,n). Les réactions (γ,n) peuvent également être utilisées dans le même but. Dans ce type de source, du fait de la plus grande portée des rayons γ, les deux composants physiques de la source peuvent être séparés permettant d’« éteindre » la réaction si nécessaire en retirant la source radioactive du béryllium. Les sources (γ,n) produisent des neutrons monoénergétiques contrairement aux sources (α,n). La source (γ,n) utilise l’antimoine-124 comme émetteur gamma dans la réaction endothermique suivante.
124Sb → 124Te + β− + γ
γ + 9Be → 8Be + n – 1,66 MeV
-
- Source de radio-isotope – fission spontanée. Certains isotopes subissent une fission spontanée avec émission de neutrons. La source de fission spontanée la plus couramment utilisée est l’isotope radioactif californium-252. Le Cf-252 et toutes les autres sources de neutrons de fission spontanée sont produits en irradiant de l’uranium ou un autre élément transuranien dans un réacteur nucléaire, où les neutrons sont absorbés dans le matériau de départ et ses produits de réaction ultérieurs, transmutant le matériau de départ en isotope SF.
Voir aussi: Sources de neutrons
Voir aussi : Source Neutrons