Thread by @ferney_paul

Aujourd’hui, c’est le quatrième #THREAD de physique #nucléaire. Aujourd’hui on va parler des principales réactions neutrons-noyaux. C’est une étape indispensable si je veux un jour vous parler de #neutronique.

Niveau de difficulté : Facile 📗

Quand je parle de réactions neutrons-noyaux, je parle de réactions nucléaires qui impliquent un noyau-cible et un neutron incident. Le neutron est présent au début de la réaction, et peu importe ce qu’il se passe ensuite.

Il est très important de comprendre ce truc. N’oubliez pas que notre réacteur se base sur la réaction en chaine pour récupérer de l’énergie : neutron👉fission👉neutron👉fission... Il y a toujours des neutrons dans le cœur et plus ou moins de réactions neutron-noyaux.

Lorsque l’on fait de la physique des réacteurs, on retient 3 types de réactions neutron-noyaux :
- Capture : le noyau absorbe le neutron.
- Diffusion : le noyau renvoie le neutron, après un transfert d’énergie.
- Fission : le noyau fissionne après avoir absorbé le neutron.

D’abord, la capture. Pour de très nombreux isotopes, lorsqu’un neutron se pointe à proximité, il y a une certaine probabilité que les deux acolytes ne forment plus qu’un seul noyau composé.

En général, ce noyau émet des rayonnements gamma, pour évacuer l’excès d’énergie due à la réaction. On parle alors de capture radiative. Le couple neutron-noyau vit heureux mais sans enfants 😛

La diffusion ensuite : un neutron incident tape sur un noyau. Comme pour des boules de billards, le noyau et le neutron rebondissent, et leurs vitesses et directions sont modifiées. On parle ici de diffusion élastique.

Diffusion élastique ? Quésako ? Le terme élastique vient du fait que les 2 corps, neutron et noyau, respectent les lois des chocs élastiques : l’énergie et la quantité de mouvement des corps sont conservées.

Ne vous focalisez pas sur ces termes. Imaginez que le neutron ne fasse que taper et rebondir sur le noyau : En gros, le neutron s’est pris un râteau et s’en va ailleurs.

Il peut aussi y avoir de la diffusion inélastique, qui implique l’émission d’un rayon gamma.

Pour filer la métaphore, Le neutron et le noyau se séparent après une courte relation. 😢

Ces réactions de diffusion permettent de propager et de ralentir des neutrons : Souvent, le neutron va beaucoup plus vite que le noyau-cible. Un peu comme une boule de billard, on peut voir le neutron comme une boule qui rebondit sur une boule immobile…

Le neutron va alors moins vite après le choc, et change de direction. S’il y a beaucoup de réactions de diffusion, les neutrons se propagent dans toutes les directions. On a donc bien de la diffusion à travers ces réactions 😋

On reparlera diffusion plus tard (#modérateur)

Enfin la réaction de fission… Le neutron et le noyau s’embrassent et… Euh… Et bien… Hum ! Ils vécurent très heureux et eurent beaucoup d’enfants !😇 En moyenne 2 produits de fissions (nouveaux noyaux) et 2 à 3 nouveaux neutrons !

C'est la fission qui nous permet de récupérer un maximum d'énergie des noyaux, et d'entretenir la réaction en chaine en produisant toujours de nouveaux noyaux.

J’aimerai aborder avec vous un point important : la prédiction du comportement des réacteurs ! Pour cela, il faut bien connaitre la probabilité qu’il y est une interaction sachant qu’un neutron rencontre un noyau-cible.

Déjà, plus un neutron va vite, plus il rencontre de noyau cible. C’est pour cela que les neutroniciens pondèrent la grandeur associé à la quantité de neutron par la vitesse : les neutroniciens utilisent le flux neutronique. Je parlerai dans un autre thread de cette notion.

Autrement dit, le flux neutronique quantifie le nombre de noyaux que rencontrent les neutrons. Des flux neutroniques faibles, c’est les thés dansant à la campagne : on fait peu de rencontre. Les flux neutroniques élevés, c’est Tinder : on fait beaucoup de rencontres.

Mais les rencontres, c’est bien beau : sur Tinder vous en faites beaucoup, mais il y a pas beaucoup de match (Ouais, ouais, faites pas genre 😛 ) Surtout, vous vous rendez-compte qu’il y a des types de profils avec qui vous matchez plus souvent que d’autres.

Et bien les neutrons, c’est pareil ! Ils vont bien matcher avec certains noyaux comme le Gadolinium 157, l’Hélium 3 ou le Bore 10, mais assez peu avec d’autres, comme les isotopes du Zirconium.

Pour quantifier la « probabilité de matcher » d’un neutron avec un noyau, on utilise la notion de « section efficace ». Vous allez comprendre. Imaginez que les noyaux sont des cibles et comptez le nombre de neutron qui touchent les cibles par unité de temps :

Vous allez vous rendre compte que plus votre cible est grande, plus il y a de neutrons qui vont passer à travers.

En gros, vous allez matcher avec des gens qui vous aime bien plutôt que d'autres.

Et ensuite, plus il y a de cible, plus il y a d’interaction : c’est comme sur Tinder : plus il y a de profils autour de vous, plus votre probabilité de matcher est importante.

La taille des cibles peut beaucoup varier d’un isotope à un autre : certains noyaux ont des cibles 1 millions de fois plus grandes que d’autres noyaux ! En fait, taille des cibles et taille des noyaux ne sont pas toujours du même ordre de grandeur.

Anecdote : l’unité pour mesurer les tailles de cible est le « barn ». Cette unité vient d’une « blague de neutronicien ». Comme la section efficace (ou taille de la cible) de l’Uranium était bien plus grande que la taille du noyau, les ricains ont dit « it’s as big as a barn ».

En bon français, ça veut dire : « Aussi gros qu’une grange ! »… On se tape des barn, pas vrai ? :P

Ainsi, le nombre d’interactions dépend de 4 grandeurs : 2 relatives aux neutrons, et 2 relatives aux noyaux. Le truc, c’est que les neutroniciens aiment bien utiliser des mots compliqués pour désigner ces concepts ^^’. On récapitule donc tout ça :

Voilà ! Maintenant que nous avons vu toutes ces notions, on va pouvoir commencer à parler de #neutronique… Mais ce sera une prochaine fois ! Je ferai encore un #thread de physique des réacteurs dans 2 semaines, puis on se reverra en septembre pour la suite de cette série. 🙂

C’est tout pour aujourd’hui ! J’espère avoir été clair, et que tout ce que je vous ai raconté vous a plus. Comme d’hab, je ne suis pas contre un petit RT pour faire connaître ce type de thread :D n’hésitez pas non-plus à me poser vos questions et à faire des remarques.