Source de neutrons

Une source de neutrons est un dispositif qui émet des neutrons , quel que soit le mécanisme utilisé pour les produire. Les sources de neutrons sont utilisées en physique, en ingénierie, en médecine, dans les armes nucléaires, dans l'exploration pétrolière, en biologie, en chimie et dans l'énergie nucléaire. Les variables de la source de neutrons comprennent l'énergie des neutrons émis par la source, le taux de neutrons émis par la source, la taille de la source, le coût de possession et d'entretien de la source et les réglementations gouvernementales liées à la source.

Certains isotopes subissent une fission spontanée (SF) avec émission de neutrons . La source de fission spontanée la plus courante est l'isotope californium -252. ^{Le 252} Cf et toutes les autres sources de neutrons SF sont fabriqués en irradiant de l'uranium ou un élément transuranien dans un réacteur nucléaire , où les neutrons sont absorbés dans le matériau de départ et ses produits de réaction ultérieurs, transmutant le matériau de départ en isotope SF. Les sources de neutrons ^{252 Cf ont généralement un diamètre de 1/4" à 1/2" et une longueur de 1" à 2". Une source de neutrons 252} Cf typique émet 10 ⁷ à 10 ⁹ neutrons par seconde lorsqu'elle est neuve ; mais avec une demi-vie de 2,6 ans, la production de neutrons diminue de moitié en 2,6 ans.

Les neutrons sont produits lorsque des particules alpha entrent en contact avec l'un des nombreux isotopes légers, notamment les isotopes du béryllium , du carbone ou de l'oxygène . Ainsi, une source de neutrons peut être fabriquée en mélangeant un émetteur alpha tel que le radium , le polonium ou l'américium avec un isotope de faible poids atomique, généralement en mélangeant des poudres des deux matériaux. Les sources de neutrons alpha produisent généralement environ 10 ⁶ à 10 ⁸ neutrons par seconde. Une source de neutrons alpha-béryllium peut produire environ 30 neutrons pour 10 ⁶ particules alpha. La durée de vie utile de ces sources dépend de la demi-vie du radio-isotope. La taille et le coût de ces sources de neutrons sont comparables à ceux des sources de fission spontanée. Les combinaisons habituelles de matériaux sont le plutonium -béryllium (PuBe), l'américium-béryllium (AmBe) ou l'américium- lithium (AmLi).

Le rayonnement gamma dont l'énergie dépasse l' énergie de liaison des neutrons d'un noyau peut éjecter un neutron, un processus connu sous le nom de photodésintégration . Voici deux exemples de réactions :

• ⁹ Be + >1,7 MeV photon → 1 neutron + 2 ⁴ He
• ² H ( deutérium ) + >2,26 MeV photon → 1 neutron + ¹ H

Certains générateurs de neutrons basés sur des accélérateurs induisent la fusion entre des faisceaux d’ ions deutérium et/ou tritium et des cibles d’hydrure métallique qui contiennent également ces isotopes.

La source de neutrons focalisée à plasma dense produit une fusion nucléaire contrôlée en créant un plasma dense dans lequel le gaz deutérium et/ou tritium ionisé est chauffé à des températures suffisantes pour créer une fusion.

Les dispositifs de confinement électrostatique inertiel tels que le fusor Farnsworth-Hirsch utilisent un champ électrique pour chauffer un plasma dans des conditions de fusion et produire des neutrons. Diverses applications, allant du monde des amateurs jusqu'aux applications commerciales, se sont développées, principalement aux États-Unis.

Les accélérateurs de particules traditionnels avec des sources d'ions hydrogène, deutérium ou tritium peuvent être utilisés pour produire des neutrons en utilisant des cibles de deutérium, de tritium, de lithium, de béryllium et d'autres matériaux à faible Z. Généralement, ces accélérateurs fonctionnent avec des énergies dans la gamme > 1 MeV.

Dans un système de bremsstrahlung , les neutrons sont produits lorsque des photons au-dessus de l'énergie de liaison nucléaire d'une substance sont incidents sur cette substance, lui faisant subir une résonance dipolaire géante après laquelle elle émet un neutron (photoneutron) ou subit une fission ( photofission ). Le nombre de neutrons libérés par chaque événement de fission dépend de la substance. En général, les photons commencent à produire des neutrons lors de l'interaction avec la matière normale à des énergies d'environ 7 à 40 MeV , ce qui signifie que les installations de radiothérapie utilisant des rayons X mégavoltage produisent également des neutrons, et certaines nécessitent un blindage neutronique. De plus, les électrons d'énergie supérieure à environ 50 MeV peuvent induire une résonance dipolaire géante dans les nucléides par un mécanisme qui est l'inverse de la conversion interne et ainsi produire des neutrons par un mécanisme similaire à celui des photoneutrons.

La fission nucléaire dans un réacteur produit de nombreux neutrons et peut être utilisée à diverses fins, notamment pour la production d'énergie et les expériences. Les réacteurs de recherche sont souvent spécialement conçus pour permettre le placement d'échantillons de matériaux dans un environnement à flux de neutrons élevé .

La fusion nucléaire, qui consiste à faire fusionner des isotopes lourds de l'hydrogène, peut produire un grand nombre de neutrons. Des systèmes de fusion à petite échelle sont utilisés à des fins de recherche (sur le plasma) dans de nombreuses universités et laboratoires du monde entier. Il existe également un petit nombre d'expériences de fusion à grande échelle, notamment le National Ignition Facility aux États-Unis, le JET au Royaume-Uni et bientôt l' expérience ITER actuellement en construction en France. Aucun de ces systèmes n'est encore utilisé comme source de neutrons.

La fusion par confinement inertiel a le potentiel de produire des ordres de grandeur supérieurs de neutrons que par spallation . Cela pourrait être utile pour la radiographie neutronique qui peut être utilisée pour localiser les atomes d'hydrogène dans les structures, résoudre le mouvement thermique atomique et étudier l'excitation collective des noyaux plus efficacement que les rayons X.

Une source de spallation est une source à haut flux dans laquelle les protons qui ont été accélérés à des énergies élevées frappent une cible, provoquant l'émission de neutrons. Les sources de neutrons les plus puissantes au monde ont tendance à être basées sur la spallation, car les réacteurs de fission à haut flux ont une limite supérieure de neutrons produits. En 2022, la source de neutrons la plus puissante au monde est la source de neutrons de spallation d' Oak Ridge, dans le Tennessee [ , avec la source de spallation européenne de Lund , en Suède, en construction pour devenir la source de neutrons pulsés de durée intermédiaire la plus puissante au monde.

Les réacteurs à fission nucléaire sous-critiques sont proposés pour utiliser des sources de neutrons de spallation et peuvent être utilisés à la fois pour la transmutation nucléaire (par exemple la production de radionucléides médicaux ou la synthèse de métaux précieux ) et pour la production d'électricité, car l'énergie requise pour produire un neutron de spallation (~ 30 MeV aux niveaux technologiques actuels) est presque d'un ordre de grandeur inférieur à l'énergie libérée par la fission (~ 200 MeV pour la plupart des actinides fissiles ).

Les sources de neutrons à laser sont une autre technologie émergente qui utilise des impulsions laser ultra-intenses pour produire des neutrons par le biais de réactions nucléaires secondaires. Lorsque des lasers de haute puissance interagissent avec des cibles denses, ils génèrent des particules de haute énergie telles que des protons ou des deutérons, qui peuvent ensuite entrer en collision avec un matériau secondaire, induisant une émission de neutrons. Ces sources sont compactes par rapport aux installations traditionnelles à spallation ou à réacteur et offrent des capacités uniques, notamment des sursauts de neutrons ultra-courts et une brillance élevée.

Pour la plupart des applications, un flux de neutrons plus élevé est préférable (car il réduit le temps nécessaire pour faire l'expérience, acquérir l'image, etc.). Les dispositifs de fusion amateurs, comme un fusor , ne génèrent qu'environ 300 000 neutrons par seconde. Les dispositifs de fusion commerciaux peuvent générer de l'ordre de 10 ⁹ neutrons par seconde, d'où un flux utilisable inférieur à 10 ⁵ n/(cm ² s). Les grands faisceaux de neutrons du monde entier produisent un flux beaucoup plus important. Les sources basées sur des réacteurs produisent désormais 10 ¹⁵ n/(cm ² s) et les sources de spallation génèrent > 10 ¹⁷ n/(cm ² s).