Une suite de collisions puis une capture …

Les neutrons issus d’une fissions ont une énergie de l’ordre du MeV (million d’électronvolts). Ils sont dits rapides. Pour qu’ils puissent provoquer une seconde fission et entretenir la réaction en chaîne, ils doivent être beaucoup ralentis dans la plupart des réacteurs et devenir des neutrons lents.

Les neutrons ralentissent lors des collisions avec les noyaux auxquels ils cèdent une partie de leur énergie. En reculant, ces noyaux ionisent la matière environnante. Le ralentissement est rapide dans un milieu modérateur riche en hydrogène où le neutron peut même perdre, avec de la chance, toute son énergie lors d’une collision unique ! Le résultat de cette série de collisions est un parcours erratique qui dans l’air peut être long.

Une fois le neutron capturé, le noyau réagit en émettant généralement un gamma de désexcitation. La capture laisse souvent le noyau dans un état instable, radioactif.

La probabilité – appelée section efficace – de cette capture varie énormément avec l’énergie et la nature du noyau. À des énergies caractéristiques du noyau, le neutron entre en résonance quand il passe à proximité et se retrouve absorbé. Tout se passe comme si le noyau devenait soudain très gros. Le phénomène rappelle ce qui se passe dans un instrument de musique qui entre en résonance à certaines fréquences. L’énergie des neutrons joue ici le rôle de la fréquence.

Dans un réacteur nucléaire traditionnel, il s’agit de ne pas perdre de façon intempestive des neutrons. Il faut éviter, lors du ralentissement, ces noyaux pourvus de trop d’appétit et ces énergies résonantes. Le choix des matériaux devient critique.

Le flux neutronique est abondant et dangereux à proximité du cœur des réacteurs. Les captures sont alors recherchées pour la radioprotection. On inclut intentionnellement dans les barres de contrôle et les matériaux de blindage des noyaux friands de neutrons lents comme le cadmium et le bore-10. De même, on bride la réactivité d’un réacteur quand sa charge de combustible est neuve en ajoutant du bore dans l’eau du modérateur. Cette eau « boriquée » tempère les réactions de fission. La quantité de bore-10 diminue au cours du fonctionnement, en même temps que le réacteur, dont le combustible qui s’émousse a de moins en moins besoin d’être bridé.

L’effet du rayonnement neutronique subsiste après une capture. Le noyau qui a capturé un neutron supplémentaire est généralement instable. Les éléments mécaniques irradiés dans le cœur des réacteurs deviennent radioactifs. Les captures engendrent aussi dans le combustible des radioéléments plus lourds que l’uranium, comme le plutonium et les actinides. On extrait également de réacteurs des radioéléments utiles en vue d’applications médicales ou industrielles.