Absorbant neutronique

En physique nucléaire, un absorbant neutronique est en général un matériau qui présente une section efficace importante vis-à-vis de la capture de neutrons, et a de ce fait un impact significatif dans le bilan neutronique d'un réacteur nucléaire.

Plus spécifiquement, on désigne ainsi des éléments qui ne font qu'absorber des neutrons, sans autre transmutation ni radioactivité induite. Ceci exclut les isotopes fissiles et fertiles, ainsi que ceux qui se transmutent en isotope radioactif.

De tels éléments peuvent typiquement être employés comme constituants dans les barres de contrôle des réacteurs, ou comme poison consommable, pour en contrôler la réactivité. Ils peuvent également être employés comme barrière de radioprotection.

Absorbants notables

  • Le lithium 6 absorbe un neutron et se transforme en tritium après émission d'une particule alpha. Sous irradiation neutronique constante, le tritium est en équilibre avec son produit de désintégration l'hélium 3 lui-même absorbant neutronique reproduisant du tritium.
  • Le bore est un excellent absorbant neutronique. Le bore naturel est constitué de 20% de bore 10, dont la section efficace d'absorption est de 3837 barn, et 80% de bore 11, de section efficace 5 barn. L'essentiel des captures neutroniques se fait sur le bore-10, le transmutant en bore-11 relativement insensible aux neutrons. Les quelques captures neutroniques subies par le bore-11 le transforment en bore 12 (de période 20 ms) puis carbone 12 stable. Globalement, l'irradiation du bore se traduit par un enrichissement isotopique en bore-11 et une production marginale de carbone, sans radioactivité résiduelle notable.
  • Le cadmium 113, qui constitue 12% du cadmium naturel, présente une section efficace très importante (20600 barn), trois ordres de grandeurs au-dessus de celle des autres isotopes. Les isotopes instables éventuellement créés par capture neutronique (115Cd et 117Cd) sont à durée de vie de l'ordre de l'heure, conduisant à une production marginale d'indium. L'indium 117 est radioactif et décroît rapidement en samarium 117; l'indium 115 est pratiquement stable, mais est lui-même un absorbant neutronique assez efficace, conduisant transitoirement à de l'116In qui se désintègre en 116Sn stable.
  • Le samarium 152, qui constitue 27% de l'élément naturel, a une section efficace assez importante de 206 barn. Le 153Sm qu'il forme a de même une section efficace importante (420 barn) qui conduirait à du 154Sm stable, mais il est par ailleurs radioactif (de période 46h), et décroît en europium 153. Ce dernier est stable, mais a une section efficace importante de 312 barn, qui conduit à du 154Eu de 1340 barn, puis du 155Eu de 3950 barn. La radioactivité potentiellement gênante du 154Eu (demi-vie de huit ans et demi) est masquée par les captures neutroniques, qui accélèrent sa transformation en gadolinium 155 (lui-même excellent absorbant neutronique).
  • Le gadolinium a deux isotopes naturels très absorbants, le 155Gd (61 000 barn) et le 157Gd (254 000 barn). L'isotope 158Gd est stable et de section efficace très faible (2 barn), rendant négligeables les captures ultérieures et les produits d'activation qui peuvent en découler.
  • L'erbium 167 constitue 23% du produit naturel, et a une section efficace de 660 barn. Les transmutation qu'il induit par la formation de 169Er ou de 171Er sont relativement marginales, et conduisent l'une et l'autre à du 171Yb.
  • Le hafnium est principalement absorbant par son isotope 177Hf (373 barn), qui représente 18% du produit naturel. Ses autres isotopes naturels présentent des sections efficaces non négligeables de quelques dizaines de barn. En fin de chaîne d'absorption, le 180Hf peut produire du 181Hf (de période 42 jours) qui se désintègre en 181Ta, conduisant à une chaîne de produits transmutés plus ou moins absorbants.
  • Le mercure a un profil intéressant, son isotope 199Hg, qui représente 17% de la composition naturelle, présente une section efficace très élevée de plus de 2000 barn. Les isotopes suivants ont une section efficace très faible (moins de dix barn), ce qui rend les transmutations chimiques négligeables en pratique. Il n'a cependant pas d'application en tant qu'absorbant neutronique.

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