La capture des neutrons

Le neutron est une particule à part en physique nucléaire : il pénètre facilement dans un noyau en raison de son absence de charge électrique : nucléon lui-même, il interagit naturellement avec d'autres nucléons. L'énergie des neutrons produits dans les réacteurs ne dépassant pas 2 MeV, deux possibilités leur sont offertes : une simple collision « élastique » ou la capture du neutron par le noyau.

Les collisions élastiques sont utilisées pour ralentir les neutrons dans les modérateurs. La capture produit un noyau avec un neutron supplémentaire. L'introduction de ce neutron qui s'est mêlé aux autres nucléons génère une certaine excitation. Le noyau se débarrasse de cette excitation en émettant généralement un rayon gamma : la capture est dite « radiative ». Exceptionnellement, certains noyaux volumineux se scindent en plusieurs fragments : c'est la fission.

La probabilité (appelée « section efficace ») de capture est très variable. Elle est d'autant plus grande que la vitesse du neutron est faible (cf. note). Par ailleurs, un noyau possède des états d'énergie propre, comme un instrument de musique qui résonne à certaines fréquences. Si l'énergie du neutron est telle que l'énergie du noyau composé corresponde exactement à l'un de ces niveaux d'énergie, le noyau entre en résonance et la probabilité de capture devient très grande.

Après la perte de son énergie d'excitation, le noyau est devenu un isotope du noyau initial avec un neutron de plus. Cet isotope peut être lui-même instable. C'est la raison pour laquelle des matériaux soumis à des flux de neutrons, comme les gaines enrobant le combustible, deviennent radioactifs.

Les captures radiatives jouent de multiples rôles dans les réacteurs. Tantôt, on cherche à les éviter, pour ne pas perdre de neutrons dans le modérateur ou le combustible. Tantôt, elles sont recherchées, comme celles par l'uranium-238 dans les réacteurs à neutrons rapides afin de former du plutonium-239. Les captures radiatives conduisent enfin à la formation de noyaux radioactifs plus lourds que l'uranium, les actinides, qui font partie des déchets des centrales.

La fission entre en compétition avec la capture radiative pour une poignée de noyaux. Les captures radiatives apparaissent alors comme des fissions avortées. Le pourcentage des pertes par captures radiatives est une des caractéristiques importantes des noyaux fissiles.

Sujet voisin : Modérateurs