Ingénierie nucléaire

Coupe transversale de réaction et exemples de diverses réactions nucléaires

La réaction nucléaire étant un phénomène statistique, il est nécessaire de définir une quantité physique pour déterminer la probabilité d'une réaction nucléaire. La quantité qui donne l'idée de la probabilité qu'un processus physique quelconque (par exemple une réaction nucléaire) se produise est connue sous le nom de section efficace. La section efficace de réaction nucléaire peut être définie de la manière suivante :

σ = Nombre de types d'événements donnés par unité de temps par noyau/nombre de particules de projectiles par unité de surface, unité de temps.

En considérant deux grands processus physiques, à savoir la diffusion et l'absorption, la section efficace totale σ_tot s'écrit:

σ_tot =_sc +_a ————- (m3.12)

où σ_sc = section efficace de diffusion

et σ_a = section d'absorption

L'unité de section est 'grange' ayant la dimension de surface (1 grange = 10^{- 24} cm² = 10^{- 28}m²).

Nous allons maintenant voir des exemples de diverses réactions nucléaires :

Une réaction nucléaire est symbolisée par une parenthèse contenant symboliquement le projectile et la particule de produit. Au début de la parenthèse, le symbole du noyau cible, et après la parenthèse, le symbole du noyau produit est écrit. Pour représenter une réaction particulière, disons, un deutéron irradiant pour produire et un proton, le symbole est . Selon le projectile et la particule de produit, un grand nombre de réactions nucléaires sont possibles.

(d, α) Réactions

Ces réactions produisent des particules α, tandis que le projectile est du deutéron. Par exemple,

Les valeurs Q de ces réactions sont positives et les réactions sont exoergiques.

(d, p) Réactions

Ces réactions produisent des protons. Par exemple,

Les valeurs Q sont généralement positives et les réactions sont exoergiques.

(d,n) Réactions

Ces réactions produisent des neutrons. Par exemple,

La réaction (4.21) a de l'importance, car elle sert de sources de neutrons.

(α, p) Réactions

Ces réactions produisent des protons alors que le projectile est une particule α. Par exemple

(α, n) Réactions

Ces réactions produisent des neutrons et sont également utilisées comme source pratique de neutrons. Par exemple,

Pour la réaction (4.25), les particules α sont fournies par le radium et ses produits et le béryllium fournissent une source peu coûteuse de neutrons.

(α, γ) Réactions

Si un élément léger tel que Li est bombardé de particules α d'énergie variable, on observe qu'à certaines valeurs d'énergie, le noyau composé se désexcite par émission γ. Le processus est appelé capture radiative des particules α. Par exemple,

(p, α) Réactions

Ces réactions produisent des particules α avec des protons comme projectile. Par exemple,

qui est une réaction exoergique. Un autre exemple de cette réaction est

γ – Transmutations induites

Le noyau cible bombardé de rayonnement γ donne généralement un noyau composé dans un état excité. L'énergie d'excitation en excès est libérée par les noyaux par l'émission de neutrons de différentes particules. Quelques exemples typiques sont

Transmutations induites par les neutrons

Selon l'énergie, les neutrons sont classés comme rapide et lent (discuté au chapitre 2). Les neutrons lents en équilibre thermique avec le milieu qu'ils traversent sont appelés neutrons thermiques. Lorsque les neutrons frappent une cible, ils peuvent soit être dispersés, soit être capturés par les noyaux cibles pour former des noyaux composés, qui finissent par émettre des photons γ, des particules α, des deutérons, etc. Voici quelques exemples typiques de transmutations induites par les neutrons :

Cette réaction est utile pour produire du tritium, qui est utile dans la fusion nucléaire.

qui est un exemple de réaction (n,p). Ces réactions produisent finalement le même noyau cible. Presque tous les éléments présentent une capture radiative des neutrons de basse énergie. Cette capture élève le noyau cible à un état isomérique excité. Cette énergie d'excitation est ensuite libérée sous forme de photons γ et le noyau produit devient un istope du noyau d'origine. Par exemple,

Nous allons maintenant voir deux réactions nucléaires les plus importantes en ce qui concerne la production d'énergie, connues sous le nom de réaction de fission nucléaire et de fusion.

Réaction de fission nucléaire

En 1939, Otto Hahn et Strassmann ont découvert une réaction nucléaire très importante où

a été bombardé de neutrons lents formant un noyau composé, qui a finalement été fragmenté en deux noyaux et d'autres neutrons ont été produits. Ceci est connu sous le nom de réaction de fission et est représenté par :

où est un isotope hautement instable et X ,Y sont les fragments de fission. Il pourrait y avoir diverses combinaisons des fragments de fission et qu'un certain nombre de neutrons sont également émis. Les réactions de fission typiques sont

où Q est l'énergie libérée dans la réaction. Le détail de la libération d'énergie dans la réaction de fission nucléaire et son importance dans la production d'énergie électrique seront discutés dans le chapitre suivant.

Réaction de fusion nucléaire

Une autre réaction nucléaire importante est la réaction de fusion nucléaire. Dans cette réaction, les noyaux légers se combinent ou fusionnent pour produire un noyau relativement lourd, il y aurait une plus grande énergie de liaison et une diminution conséquente de la masse nucléaire résultant en une valeur Q positive de la réaction. Un exemple d'une réaction de fusion typique est

L'importance de la réaction de fusion dans la production d'énergie stellaire a été suggérée pour la première fois par Hans Bethe en 1938. Dans le chapitre suivant, nous discuterons de la libération d'énergie de cette équation et de son importance dans le futur processus de production d'énergie.

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