Dans les réacteurs, ces deux absorbeurs que sont le cadmium et le bore jouent un rôle vital, avec une probabilité de capture, appelée section efficace, bien supérieure à celle des fissions à réguler. Ils agissent comme des poisons, ralentissant ou interrompant la réaction en chaîne selon leur quantité. Les détails.
Des gestionnaires du flux de neutrons
Qu’il s’agisse de radioprotection ou de contrôle des réacteurs, la gestion du flux de neutrons est cruciale. Pour ce faire, des matériaux absorbants sont utilisés, sous forme métallique ou composée. Parmi eux, le cadmium et le bore se distinguent comme d’efficaces absorbeurs de neutrons. Le hafnium et parfois le gadolinium, une terre rare, s’ajoutent à la liste. Ces éléments tirent leur pouvoir absorbant de leurs isotopes.
Bore : maître de l’absorption neutronique
En comparant la probabilité (section efficace) de fission de l’uranium-235 à la probabilité d’absorption des neutrons par les isotopes du bore, la supériorité d’absorption du bore à toutes énergies neutroniques est flagrante. Contrairement au cadmium-113, où une « résonance géante » sous 1 électronvolt expliquait la probabilité d’absorption élevée.
Composé de 19,9 % de bore 10 et 80,1 % de bore 11, le bore naturel offre une section efficace d’absorption pour les neutrons thermiques de 3837 barns. Les captures neutroniques se concentrent sur le bore 10. Cependant, elles déclenchent souvent une désintégration alpha, produisant des noyaux de lithium-7 et d’hélium non radioactifs.
Le bore, sous forme d’eau borée dans l’eau modératrice, régule les réacteurs fraîchement chargés en combustible enrichi en uranium-235. Il est également ajouté à l’eau des piscines d’entreposage de combustible usé pour prévenir toute réaction non désirée. À Fukushima, le bore a été utilisé pour éviter les explosions nucléaires.
Cadmium : expert en absorption neutronique
Le cadmium naturel abrite plusieurs isotopes, parmi lesquels le cadmium-113, un puissant absorbeur de neutrons. La courbe de probabilité de capture des neutrons par le cadmium présente une résonance spectaculaire, atteignant près de 10 000 barns pour des neutrons d’énergie de 0,1-0,2 eV. Cette valeur surpasse plus de dix fois la probabilité de fission de l’uranium-235 par neutrons thermiques (0,025 eV).
Le cadmium est principalement utilisé sous forme métallique dans les barres de contrôle des réacteurs. Son isotope, le cadmium-113, représente 12 % du cadmium naturel. Sa section efficace élevée (20 600 barns) dépasse largement celles des autres isotopes.
Cette résonance exceptionnelle de la section efficace se trouve au-dessus du champ des neutrons thermiques, favorable à la fission de l’uranium-235. L’introduction de cadmium dans les barres de contrôle s’avère donc extrêmement meilleure pour ralentir, voire stopper, la réaction en chaîne.