Protection contre rayonnement de neutrons

[Novocaine]

Bonjour,

Pourquoi utilise-t-on des matériaux riches en noyaux légers(eau, paraffine) pour se protéger des neutrons? Merci beaucoup
-----

[Cassano]

Parce que si tu fais de l'étude collisions, tu terendra compte que le neutron perd le maximum d'énergie lorsqu'il collision avec un noyau léger qu'avecun noyau lourd.Pour faire une analogie à grande échelle, si tu lance une boule de pétanque contre un mur, elle va rebondir sur ce mur et repartir (bon pas loin car la la dissufion est inélastique, mais elle va repartir quand même). Par contre si tu la lance contre une autre boule de pétanque (masse comparable) et que tu es doué , tu va faire un carreaux : toute l'énergie cinétique de ta première boule de pétanque va diparaître.
C'est a peu prèsle même phénomène qui se produit dans les modérateurs, d'ou l'intérêt d'utiliser des modérateurs léger

[Novocaine]

Salut!

Bah justement c'est ça que je comprends pas. Si on veut arrêter les neutrons. Le mur est plus efficace que des boules de pétanques non? les boules de pétanques vont partir avec une énergie cinétique.

Qu'est ce qui se passe en fait avec des noyaux lourds? Pourquoi peut on pas utiliser de noyau lourd?

Merci pour ta réponse en tout cas!

[Jeanpaul]

La remarque de Cassano est parfaitement judicieuse. Le mur n'arrête pas les boules de pétanque, elles repartent avec toute leur énergie (si on veut bien admettre que le choc est élastique). En revanche le choc sur un noyau léger (genre hydrogène) transfèrera l'énergie vers le noyau d'hydrogène, comme pour un carreau de pétanque.
C'est une expérience qu'on présente au CEA : un bloc de fer n'arrête pas les neutrons mais un timbre collé sur le bloc les arrête.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Cassano]

Salut!

Bah justement c'est ça que je comprends pas. Si on veut arrêter les neutrons. Le mur est plus efficace que des boules de pétanques non? les boules de pétanques vont partir avec une énergie cinétique.
Qu'est ce qui se passe en fait avec des noyaux lourds? Pourquoi peut on pas utiliser de noyau lourd?

Merci pour ta réponse en tout cas!

Comme l'a dis JeanPaul, si tu accepte que la diffusion soit élastique, les boules de pétanque vont repartir avec toute leur énergie cinétique après avoir tapé sur le mur. Alors qu'en tapant une autre boule de pétanque elle s'arrête et transfert toute son énergie cinétique. C'est la que s'arrête la belle analogie marseillaise Car si le neutron transfert toute ou presque totue son énergie au noyau léger, celui-ci est contenu dans un solide, et à donc par conséquent des mouvements limités.

Si je poussais l'analogie plus loin, je te demenderai un effort d'imagination, pour supposer que tu joue à la pétanque dans du miel (oui je sais lol). Si tu fais un carreau, ta première boule va s'arrêter et la deuxième va partir avec la même énergie cinétique. Seulement, au vu de la viscosité démentielle du miel (c'est du 10^5 poiseuille si mes souvenirs sont bons), la boule sera très vite freinée. Il se passe la même chose dans ton modérateur. L'organisation du modérateur empêche la matière de s'échapper, et sa composition en éléments léger lui permet de stopper la plupart des neutrons.

[Novocaine]

Salut!

Désolé pour la réponse tardive!

Je suis vraiment désolé mais c'est toujours pas très clair.

Que se passe t il exactement avec dans de la matière d'éléments lourds?

J'ai compris que pour des matériaux présentant des noyaux lourds, l'écart entre les noyaux est plus grand car le cortèges éléctronique des atomes sont plus important. Donc il y a moins d'interactions.
Ca je comprends.

Mais lorsqu'il y a interaction donc. Le neutron percute un noyau lourd. Il repart dans l'autre sens avec la même énergie? (c'est jamais marqué dans les bouquins ce qui se passe avec les gros noyaux).
Est ce que tu peux m'expliquer sans image parceque là j'imagine des boules de pétanque dans un bac à sable rempli de miel mais ça m'aide pas vraiment

Sinon j'ai compris qu'en gros les neutrons traversent les matériaux lourds donc ça sert à rien de s'en servir pour se protéger car ils traverseront de toute façon(du moins en grande partie).

Dans des matériaux légers(paraffine, eau..) l'écart entre les noyaux est plus faible. Il y a beaucoup d'atomes d'hydrogène, le cortège éléctronique est petit. Il y a donc plus de probabilités de réaction.
Lorsque le neutron percute le noyau il y a aussi diffusion élastique mais cette fois l'énergie est transférée en parti au proton. Le noyau et le neutron partent comme des boules de billard. Le noyau lui interragit très rapidement dans la matière(et avec le cortège car il est chargé) et sera vite arrété. Le neutron aura perdu de l'énergie mais va réagir avec un autre noyau. Et c'est ainsi qu'il perd de la vitesse.. pour éventuellement être capturé par un noyau.

Est ce que c'est correct ce que je dis?
Merci encore pour votre aide en tout cas!

[Jeanpaul]

A l'échelle atomique il n'y a pas de viscosité comme le bac à miel ni de frottements comme le bac à sable, rien que des interactions entre particules et c'est là qu'il faut raisonner.
Le neutron va heurter des noyaux (il ne voit pas les électrons) et il va leur transférer de l'énergie cinétique ou parfois il sera absorbé (l'absorption dépend de sa vitesse). Et, comme déjà dit, le transfert entre particules dépend de leurs masses si le choc est élastique.

[Novocaine]

Bonjour Jeanpaul,

Merci pour ta réponse.

Le neutron va heurter des noyaux (il ne voit pas les électrons) et il va leur transférer de l'énergie cinétique ou parfois il sera absorbé (l'absorption dépend de sa vitesse). Et, comme déjà dit, le transfert entre particules dépend de leurs masses si le choc est élastique.

Donc si la différence de masse est trop grande, le neutron est juste dévié par la collison mais continue sans transférer son énergie. C'est pour ça que les matériaux à noyaux lourds sont inefficaces? C'est bien ça?

Bonne soirée!

[Cassano]

Bonjour Jeanpaul,

Merci pour ta réponse.



Donc si la différence de masse est trop grande, le neutron est juste dévié par la collison mais continue sans transférer son énergie. C'est pour ça que les matériaux à noyaux lourds sont inefficaces? C'est bien ça?

Bonne soirée!

Il va en céder, mais très peu.En nontant m1 la masse de ton noyau projectile et m2 la masse deton noyau cible, la variation d'énergie maximale (rétrodiffusion) est de (4m1m2)/(m2+m1)². Donc si m2 est de l'ordre de m1, la variation maximale est à peu près de 4m1²/4m1², soit 1 : toute l'énergie est alors transférée. A l'inverse si m2>>m1, la variation est de l'ordre de 4m1/m2 << 1 : la perte d'énergie est très faible.

[Novocaine]

Ok j'ai compris! (enfin, ouf)

Merci pour votre aide les gars!

[KLOUG]

Bonsoir
Je vois que les exemples physiques et mathématiques ont fini par trouver un écho.

Il s'agit en fait au départ d'un phénomène de ralentissement. Les neutrons issus de fissions ont une énergie de 15 Méga électrons volts (on les nomme neutrons rapides). Ils vont donc être ralentis par chocs succesifs et l'énergie qui est cédée de manière maximum par chocs se fait avec des "cibles" ayant la même dimension. Les protons en l'occurence l'hydrogène se trouve donc être le meilleur ralentisseur de neutrons. Il y a des interactions (ralentissement) sur les atomes lourds mais en beaucoup moins grande quantité. Cassano a parfaitement décrit la chose.

Pour donner quelques chiffres : on utilise de la résine à base de paraffine (donc baucoup d'atomes d'hydrogène) comme matériau dans les chateaux de transport de combustibles nucléaires irradiés (il y a encore des émissions de neutrons rapides) sur une épaisseur de 10 cm.
Dans les réacteurs de recherche où il y a des faisceaux de neutrons on trouve des protections de même type sur une vingtaine de cm d'épaisseur.

Mais cela ne s'arrête pas là en termes d'interaction.
Quand le neutron a ralenti (il est appelé neutron thermique et à une énergie d'environ 0,025 électron volts - on a perdu 8 décades) il interagit avec le milieu en activant les atomes.
La probabilité d'interaction varie en fonction de ceux-ci car certains attirent plus facilment les neutrons que d'autres. La section efficace (grandeur qui s'assimile à cette probabilité d'interaction) peut être très variable.

Les atomes activés vont eux émettre d'autres rayonnements comme les gammas dont il faudra se protéger.

Bonne soirée
KLOUG

[Novocaine]

Bonjour,
Oui j'suis au courant de la capture radiative.
J'imagine qu'une épaisseur suffisante d'eau ou de paraffine permet de se protéger des beta.
Dans une centrale nucléaire par exemple le réacteur est plongé dans une piscine. Pour se protéger des gamma pouvant être produits par la capture le tout est bordé de plomb non?

[KLOUG]

Bonjour
L'eau de la piscine est effectivement un excellent écran et sert de protection biologique (il en faut quand même une épaisseur de plus de 10 mètres et même plutôt 15).
Le plomb va servir dans le bâtiment réacteur comme écran pour des points irradiants ; il n'y a pas trop de souci en bord de piscine mais il y a de nombreux circuits dans lesquels sont piégés des particules métalliques radioactives (activation neutronique du cobalt 59 stable contenu dans les aciers se transformant en cobalt 60) et il faut alors que les intervenants sur ces circuits se protègent.
Voila
A bientôt
KLOUG

[Novocaine]

D'acc, merci beaucoup.