La probabilité qu'un noyau absorbe un neutron est importante pour de nombreux domaines de la science nucléaire, y compris la production d'éléments dans le cosmos, performances du réacteur, applications de médecine nucléaire et de défense.

Une nouvelle recherche d'une équipe dirigée par des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) révèle que l'isotope radioactif zirconium-88 (⁸⁸Zr) est de 100, 000 fois plus susceptible que prévu d'absorber tout neutron à température ambiante ("thermique") qu'il rencontre. La recherche apparaît dans l'édition du 7 janvier de la revue La nature .

Le zirconium-88 est un type particulier, ou isotopique, de zirconium, se distingue par le nombre de neutrons qu'il contient. Le zirconium typique contient environ 50 neutrons, mais Zr, qui est radioactif et ne se trouve pas naturellement sur Terre, a moins que la normale, avec 48 neutrons.

Alors que l'absorption des neutrons (appelée section efficace de capture de neutrons) a été étudiée en détail pour de nombreux isotopes stables, on ne sait pas grand-chose de cette propriété pour les isotopes radioactifs. La section efficace de capture des neutrons thermiques ⁸⁸Zr récemment découverte est plus grande que celle de tout isotope stable. Cela signifie que lorsque le noyau ⁸⁸Zr rencontre un neutron thermique, il est très probable qu'il le capture et l'intègre dans le noyau. Les neutrons thermiques se trouvent dans les réacteurs nucléaires, et tout autre neutron (issu d'une réaction nucléaire ou d'une désintégration nucléaire) qui démarre à haute énergie, rebondira jusqu'à ce qu'il atteigne la température ambiante.

"La grande surprise ici est que ⁸⁸Zr, un isotope radioactif du zirconium avec deux neutrons de moins que l'isotope stable le plus léger du zirconium, a une section efficace de capture de neutrons thermiques qui est tellement plus grande que prévu et est en fait la deuxième plus grande jamais découverte, " a déclaré le physicien du LLNL Nicholas Scielzo, chercheur principal pour le projet de recherche. "La dernière fois qu'une section transversale de cette ampleur a été découverte, c'était lorsque les réacteurs nucléaires ont été allumés pour la première fois à la fin des années 1940."

La découverte est importante car elle montre à quel point on sait peu de choses sur la façon dont les isotopes radioactifs interagissent avec les neutrons, ainsi que les implications pour ⁸⁸Zr dans les missions de sécurité nationale.

"Les réactions de capture de neutrons sont importantes pour une variété d'applications et pour la façon dont les éléments lourds ont été construits, " dit Scielzo. " Par exemple, ces réactions ont un impact sur les performances du réacteur en éliminant les neutrons qui pourraient autrement provoquer une fission nucléaire, et ils sont responsables de la transmutation de certains des isotopes diagnostiques utilisés dans la gestion des stocks. »

Les sections efficaces de capture neutronique de la plupart des noyaux radioactifs sont mal connues, malgré l'importance de cette information pour un éventail de sujets en science nucléaire fondamentale et appliquée. Comprendre l'origine des éléments dans le cosmos est l'un des défis les plus importants de la science nucléaire et nécessite des sections efficaces de capture de neutrons pour les nombreux noyaux radioactifs produits le long des voies de nucléosynthèse. Essentiellement, tous les éléments plus lourds que le fer ont été créés par capture successive de neutrons dans des environnements tels que les étoiles à branches géantes, fusions de supernova avec effondrement de cœur et d'étoiles à neutrons.

Les réacteurs et les armes nucléaires ont exploité les réactions induites par les neutrons pour exploiter d'énormes quantités d'énergie, s'appuyant sur un inventaire de neutrons détaillé pour des performances prévisibles. Dans un réacteur nucléaire, les nucléides avec de grandes sections efficaces de capture de neutrons agissent comme un poison dans le combustible et diminuent les performances ou peuvent être introduits intentionnellement pour contrôler la réactivité du combustible.

Le programme scientifique de gestion des stocks, qui est utilisé pour maintenir une grande confiance dans la sécurité, Sécurité, fiabilité et efficacité du stock nucléaire en l'absence d'essais nucléaires, s'appuie en partie sur les sections efficaces des isotopes radioactifs pour interpréter les données d'archives des essais souterrains (UGT) de dispositifs nucléaires. La transmutation du matériau détecteur stable d'yttrium et de zirconium chargé dans les UGT a produit des isotopes radioactifs, tels que ⁸⁸Zr qui ont servi de diagnostics importants sensibles aux fluences des neutrons et des particules chargées. Cependant, les calculs du réseau de réaction nucléaire, qui modélisent la production et la destruction de ces isotopes radioactifs, s'appuyer sur des sections transversales pour lesquelles les données sont limitées ou inexistantes, rendant difficile l'interprétation des données historiques.

"Ce que je trouve particulièrement intriguant, c'est que les deux plus grandes sections efficaces de capture de neutrons thermiques sont toutes deux sur des isotopes radioactifs (le xénon-135 est la plus grande, ⁸⁸Zr est le deuxième plus grand) et ni l'un ni l'autre n'était attendu, alors peut-être qu'il y a beaucoup plus de surprises à découvrir alors que nous continuons à enquêter sur les isotopes radioactifs, " Scielzo a dit. " C'est peut-être un indice que ces réactions ne seront pas tout à fait ce à quoi nous nous attendons et cela aurait un grand impact sur notre compréhension de la façon dont les éléments du fer à l'uranium se sont formés dans le cosmos. "