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Neutrons dans les réacteurs nucléaires : comment favorisent-ils les réactions de fission ?
Le rayonnement neutronique est une forme de rayonnement ionisant émis par des neutrons libres lors de réactions nucléaires. Il est produit lors de la fission nucléaire et de la fusion nucléaire et réagit ensuite avec les noyaux d'autres atomes pour former de nouveaux nucléides et peut déclencher davantage de sous-rayonnements. Les neutrons eux-mêmes ne sont pas chargés et ont donc des capacités de pénétration plus élevées que les autres types de rayonnements lors de leur propagation, ce qui rend leur application dans la production d'énergie nucléaire et dans les domaines connexes particulièrement importante.
Source de neutrons
Les neutrons peuvent être libérés par la fission nucléaire, la fusion nucléaire, la désintégration radioactive et même l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère terrestre. Parmi ces sources, les réacteurs nucléaires et les accélérateurs de particules sont des sources courantes de neutrons à grande échelle.
L'une des sources typiques de neutrons sont les neutrons libres produits lors de la collision des rayons gamma du baryum et des noyaux de béryllium.
Neutrons en fission
Dans les réacteurs nucléaires, les neutrons sont généralement divisés en neutrons lents (thermiques) et neutrons rapides. Les neutrons thermiques présentent une distribution d'énergie de Maxwell-Boltzmann similaire à celle des gaz et peuvent être facilement capturés par les noyaux atomiques, qui constituent le principal moyen de produire des réactions de fission en chaîne. Afin de maintenir une réaction en chaîne de fission efficace, les neutrons produits par la fission doivent être capturés par un noyau fissile, qui subit ensuite une fission pour libérer davantage de neutrons.
Afin de ralentir les neutrons rapides en neutrons thermiques, des modérateurs de neutrons, tels que le graphite ou l'eau légère, sont souvent introduits dans le réacteur pour augmenter l'efficacité de capture.
Neutrons climatiques
Les neutrons climatiques sont produits par le rayonnement cosmique à la surface et dans l'atmosphère de la Terre et ont généralement des énergies plus élevées que les neutrons des réacteurs nucléaires. Ces neutrons peuvent se convertir en carbone 14 lorsqu’ils interagissent avec l’azote 14, une caractéristique largement utilisée dans la datation au radiocarbone.
Applications des neutrons
Le rayonnement neutronique froid, chaud et thermique est largement utilisé dans les expériences de diffusion et de diffraction pour aider à évaluer les propriétés des matériaux dans des domaines tels que les sciences physiques, la cristallographie et la biologie. Pour traiter le cancer, la thérapie par capture de neutrons au bore tire également parti de la nature hautement pénétrante et dommageable des neutrons, dans le but d’attaquer les cellules tumorales. En outre, les neutrons peuvent également être utilisés pour imager des composants industriels, ce qui revêt une grande importance pour des secteurs tels que l’énergie nucléaire, l’aérospatiale et les explosifs de haute fiabilité.
Mécanisme d'ionisation et caractéristiques des neutrons
Étant donné que les neutrons ne sont pas chargés, leur mécanisme d'ionisation est différent de celui des particules chargées. Lorsque l'absorption des neutrons entraîne l'émission de rayons gamma, ces rayons gamma retirent des électrons aux atomes, provoquant une ionisation indirecte. Le rayonnement neutronique est extrêmement pénétrant et, dans certains cas, peut même surpasser les rayons gamma.
Risques pour la santé et protection
Le principal risque pour la santé des rayonnements neutroniques vient de l'activation des matières radioactives qu'ils peuvent provoquer, ce qui rend de nombreuses matières radioactives, y compris les tissus humains. Les neutrons constituent un type de rayonnement dangereux en raison de leurs propriétés énergétiques élevées. Sous les sources de rayonnement externes, les mesures de protection reposent principalement sur des matériaux de protection contre les rayonnements, tels que de l'eau ou des matériaux riches en hydrogène, pour bloquer efficacement les effets du rayonnement neutronique.
L'impact des matériaux
Les neutrons à haute énergie peuvent endommager et dégrader les matériaux au fil du temps. Lorsque le matériau est bombardé de neutrons, des réactions de choc réagissent avec les noyaux atomiques, provoquant la formation de dislocations et de défauts. Ce processus réduit la fiabilité et la durée de vie des matériaux, notamment dans les cuves sous pression des réacteurs nucléaires.
Conclusion
À mesure que la demande d'utilisation de l'énergie nucléaire augmente, la recherche sur les neutrons continue de rechercher de meilleures mesures de protection et technologies d'application. Nous devrions réfléchir plus profondément : quel rôle et quel impact ces forces invisibles jouent-elles dans notre vie quotidienne ?
