Émission de neutron

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CE fait référence à la capture électronique

L'émission de neutron est la réaction (radioactive) par laquelle un isotope (instable) perd (spontanément) un neutron, le poids atomique diminue de un et le numéro atomique est conservé. Par exemple 4H se transforme en 3H. Le rayonnement neutronique est une forme de rayonnement ionisant qui consiste en ces neutrons libres, qui résulte de la fusion ou fission nucléaires.

Découverte[modifier | modifier le code]

On a su découvrir le rayonnement neutronique grâce à l'observation d'un noyau de beryllium réagissant avec un particule alpha, ainsi se transformant dans un noyau de charbon accompagné par l'émission d'un neutron Be(α, n)C.

Sources[modifier | modifier le code]

L'émission de neutrons peut se produire dans la fusion ou la fission nucléaire, ou à la suite de divers réactions de noyaux telles que la désintégration nucléaire ou l'entraction de particules (ex.: les rayons cosmiques). Rares sont les grosses sources de neutrons, en général se limitant aux réacteurs nucléaires ou les accélérateurs de particules.

Chez la fission nucléaire[modifier | modifier le code]

L'émission de neutrons se rencontre principalement dans les réactions de fission nucléaire :

  • La fission d'un noyau lourd produit généralement deux fragments de poids atomique variable, les « produits de fission », et quelques neutrons, les « neutrons prompt ».
  • Les produits de fission issus de cette réaction ont pratiquement toujours un excès de neutrons. Ils le perdent le plus souvent par désintégration β-, mais parfois par émission directe de neutrons, conduisant à la formation de « neutrons retardés ».

Chez la fusion nucléaire[modifier | modifier le code]

L'émission de neutrons se rencontre également dans trois des quatre principales réactions de fusion nucléaire (la réaction D-D produisant un proton) :

  • deutérium + deutérium → (hélium 3 + 0,82 MeV) + (neutron + 2,45 MeV)
  • deutérium + tritium → (hélium 4 + 3,52 MeV) + (neutron + 14,06 MeV)
  • deutérium + hélium 3 → (hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,67 MeV)

Utilisations[modifier | modifier le code]

Le rayonnement neutronique sert fréquemment aux expériences de diffusion et diffraction afin d'évaluer les propriétés et la structure de matériaux dans les domaines de la cristallographie, la physique de la matière condensée, la biologies, la chimie du solide, la science des matériaux, la géologie, la minéralogie et des sciences du même ordre. On se sert dans certains établissements des émissions de neutrons pour guérir les tumeurs cancéreuses à cause de sa nature hautement pénétrante et destructrice. Le rayonnement neutronique peut aussi jouer un rôle dans l'imagerie des pièces industrielles. On voit également son utilisation dans l'industrie nucléaire, spatiale, aérospatiale et explosive.

Ionisation[modifier | modifier le code]

Le rayonnement neutronique n'ionise pas les atomes de la même façon que les particules chargées telles que les protons et les électrons, puisque les neutrons sont démunis de charge. En conséquence, ils sont plus pénétrants que les rayonnements alpha ou beta, et dans certains cas plus pénétrants que le rayonnement gamma, dont son chemin est entravé dans la matière ayant un numéro atomique élevé. Celles de numéro atomique faible, telles que l'hydrogène, un rayon gamma de basse énergie peut être plus pénétrant qu'un neutron vif.

Risques pour la santé[modifier | modifier le code]

La radioprotection considère l'émission de neutrons comme un quatrième risque rayonneur à côté des formes alpha, beta et gamma. Un de ses dangers est l'activation neutronique, où un neutron émis est capable de provoquer la radioactivité chez la plupart de matériaux qu'il heurte, y compris les tissus corporels des ouvriers eux-mêmes. Cela survient lors de la capture des neutrons par les noyaux atomiques, qui se transforment en d'autre nucléides, souvent des radioisotopes (noyaux rayonneurs). Ce processus représente beaucoup des matériaux radioactifs lâchés par l'éclatement d'une arme nucléaire. Il représente également un problème aux installations du fission ou fusion nucléaires, parce qu'il rend les appareils progressivement radioactifs, nécessitant leur remplacement et retraitement en tant que déchets nucléaires de faible activité.

La protection contre les neutrons émis dépend du blindage. Par rapport au rayonnement ionisant conventionnel à base de photons ou particules chargées, les neutrons rebondissent à plusieurs reprises, absorbés lentement par des noyaux légers. Ainsi, il faut une masse importante d'un matériau riche en hydrogène. Les neutrons percent sans difficulté la plupart des matières, tout en interagissant suffisamment pour provoquer des dégâts biologiques. À cause de l'énergie cinétique élevée des neutrons, on considère ce rayonnement le plus grave et dangereux qu'il y ait. Les matériaux les plus efficaces sont l'eau, le polyéthylène, la paraffine, la cire ou le béton, où un nombre considérable de molécules d'eau est lié au ciment. Les atomes légers aident à ralentir les neutrons grâce à la diffusion élastique, afin qu'ils soient absorbés par des réactions de noyaux. Cependant, de telles réactions dégagent souvent le rayonnement gamma en tant que sous-produit, d'où l'importance de blindage additionnel pour absorber ce dernier.

Parce que les neutrons qui heurtent le noyau d'hydrogène (proton ou deutéron) communiquent de l'énergie à ce noyau-là, ces derniers s'échapperont de leurs liaisons chimiques et se déplaceront une petite distance avant de s'arrêter. Ces protons et deutérons ont une valeur élevée de transfert linéaire d'énergie, et sont à la suite arrêtés par l'ionisation de la matière par laquelle ils passent. Donc dans le tissu vivant, les neutrons sont biologiquement détruisants, environ dix fois plus cancérigènes que des photons ou rayonnements beta du même niveau d'enrayonnement.

Effets sur les matériaux[modifier | modifier le code]

Les neutrons dégradent également les matériaux; le pilonnage de matériaux par des neutrons provoque des collisions en cascade qui engendrent des défauts ponctuels et des dislocations dans les matériaux. Un flux important de neutrons peut fragiler ou gonfler des métaux et d'autres matières. Ceci constitue un problème pour les vaisseaux des réacteurs nucléaires, et limite considérablement leur durée de vie (prolongeable par un recuit graduel du vaisseau, qui sert à réduire le nombre de dislocations accumulées). Les modérateurs en graphite sont particulièrement sensibles à cet effet, connu sous le nom de l'effet Wigner et ont besoin d'un recuit annuel.

Rôle dans la fission nucléaire[modifier | modifier le code]

On classe les neutrons dans les réacteurs comme des neutrons lents ou rapides, selon leurs énergies. Les neutrons lents (thermiques) ressemblent à un gaz dans un équilibre thermodynamique mais facilement capturés par des noyaux atomiques et représentent les moyens principaux par lesquels les éléments connaissent une mue atomique.

Afin de parvenir à une réaction de fission en chaîne efficace, les neutrons produits pendant la fission doivent être captés par des noyaux fissiles, ces derniers se fêlant et dégageant encore de neutrons. La plupart de réacteurs à fission ne sont pas munis d'un combustible nucléaire suffisamment raffiné pour absorber assez de neutrons rapides pour continuer la réaction en chaîne, et donc on doit mettre en place des modérateurs pour ralentir ces neutrons rapides à une vitesse thermique apte à leur absorption. Les modérateurs les plus courants sont en graphite, en eau normale ou en eau lourde. Quelques réacteurs (ceux à neutrons rapides) et toutes les armes nucléaires dépendent des neutrons rapides. Ceci nécessite certaines modifications de conception et de combustible. L'élément béryllium s'y prête remarquablement grâce à son rôle de lentille ou réflecteur de neutrons, réduisant la quantité de matière fissile nécessaire et représente un développement technique essentiel à la création de la bombe à neutrons.