Comment les neutrons interagissent-ils avec les matériaux du réacteur ?

De nombreuses applications reposent sur des modèles théoriques globaux de la façon dont les neutrons interagissent avec les noyaux sur une large gamme d’énergies de neutrons incidents. Ces applications vont de la production d’énergie à la sécurité intérieure en passant par les traitements médicaux. Les scientifiques développent ces modèles en comparant les calculs aux données expérimentales. L’excellent accord entre les données et la théorie indique que l’interaction entre le neutron et le matériau est bien comprise. Ce processus aide les scientifiques à avoir confiance dans leur compréhension de la force nucléaire et aide les ingénieurs à développer des réacteurs et des scanners plus sûrs et plus efficaces.

Le carbone et le silicium ne sont que deux de ces matériaux importants étudiés au University of Kentucky Accelerator Laboratory par une collaboration de scientifiques et d’étudiants de l’Université du Kentucky, de la United States Naval Academy, de la Mississippi State University et de l’Université de Dallas. La dépendance énergétique et angulaire de la diffusion des neutrons à partir de ces matériaux révèle des régions où les scientifiques peuvent améliorer les modèles théoriques, en particulier pour les états excités dans chaque noyau, ce qui fournit à son tour des modèles améliorés pour le comportement des neutrons pour de nombreuses applications diverses.

Les réacteurs de fission et de fusion nucléaires utilisent les éléments carbone et silicium comme matériaux de blindage et de structure. Les ingénieurs nucléaires utilisent également ces éléments dans le combustible et dans les modérateurs de neutrons, qui contrôlent la vitesse des neutrons pour aider à maintenir les réactions en chaîne. Le carbure de silicium, par exemple, peut être utilisé pour recouvrir le combustible et comme revêtement de granulés qui offre une protection contre les accidents tels que celui de la centrale de Fukushima Daiichi. Les neutrons sont les moteurs des processus de production d’énergie nucléaire. Il est donc très important de comprendre comment les neutrons se diffusent à partir de tous les matériaux du réacteur. Dans cette recherche, les scientifiques ont étudié l’interaction des neutrons avec le silicium et le carbone.

Les neutrons se dispersent à partir des noyaux de manière similaire à la dispersion des boules dans un jeu de billard, sauf que la diffusion est régie par la mécanique quantique, ainsi que par la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement. Les chercheurs ont besoin d’une connaissance détaillée de la manière exacte dont ces particules non chargées interagissent avec les matériaux, car ces données nucléaires sont intégrées dans des logiciels de modélisation et de simulation. Ces données déterminent également la performance d’un système. L’équipe de recherche a mesuré la dépendance énergétique et angulaire des neutrons diffusés par le silicium et le carbone. Les résultats, publiés sous forme de deux articles dans Physique nucléaire Afournissent des réponses que les scientifiques ne peuvent découvrir que par des expériences.