Institut de Physique Nucléaire d'Orsay : groupe PACS : ntof

Mesures de sections efficaces de fission d'actinides (nTOF@CERN)

Le groupe PACS de l'IPN est engagé dans une série de mesures de sections efficaces de fission d'actinides auprès de la ligne de neutrons n-ToF au CERN. Cette installation produit un faisceau de neutrons intense dont le spectre en énergie s'étale de 1 eV à plus de 100 MeV. La mesure de l'énergie des neutrons se fait par temps de vol, sur une base de 187 mètres.

Divers types d'expériences sont prévues sur cette installation. Les expériences s'effectuent dans le cadre d'une collaboration internationale, réunissant de nombreux laboratoires et une centaine de physiciens.

Site de n-ToF

En ce qui concerne l'aval du cycle électronucléaire, une bonne connaissance des sections efficaces des actinides est primordiale pour définir et étudier par simulation des systèmes innovants, capables de répondre aux besoins énergétiques du futur. Plus particulièrement, les actinides mineurs actuellement produits par les centrales nucléaires pourraient être détruits dans des systèmes sous-critiques pilotés par accélérateur. Jusqu'à maintenant, ces noyaux (Np, Am et Cm essentiellement) ne jouaient pas un grand rôle dans la neutronique des rácteurs classiques, et la connaissance précise de leurs sections efficaces de fission ou capture neutronique n'étaient pas primordiale. Par contre, si l'on envisage de construire des systèmes incinérateurs, dont le combustible serait très fortement enrichi en actinides mineurs, leurs caractéristiques neutroniques doivent être connues avec une gande précision.

D'autre part, le cycle du thorium permettrait à terme de produire une énergie nucléaire plus propre. Ce cycle est basé sur l'utilisation de l'isotope naturel ²³²Th, et sur la régénération de son élément fissile associé ²³³U :

			$\beta$ (22.3 min)		$\beta$ (27 days)
²³²Th + n	$\longrightarrow$	²³³Th	$\longrightarrow$	²³³Pa	$\longrightarrow$	²³³U

Le bilan neutronique de ce cycle de combustible est très tendu et requiert des bases de données précises, afin de pouvoir effectuer des simulations. De plus, les deux noyaux les plus radiotoxiques produits par ce type de combustible sont l'²³²U et le ²³¹Pa, pour lesquels les bases de données sont de mauvaise qualité.

Pour toutes ces raisons, les mesures précises des sections efficaces neutroniques d'actinides doivent être effectuées pour des énergies allant de l'eV à quelques MeV. De plus, le concept des systèmes hybrides utilisent une source de neutrons issus de réactions de spallation, qui fournit un spectre plus énergétique que pour la fission. Il apparaît donc très inéressant d'étendre la zone de mesure des sections efficaces à plusieurs dizaines de MeV.

L'installation n-ToF est tout à fait appropriée à ce genre de mesures, puisqu'elle offre un spectre très large et quasiment plat, s'étalant de 1eV à plus de 100 MeV, une forte intensité de neutrons à 200 m de la cible de production, et donc et une très bonne résolution en énergie.

Description de la ligne de neutrons

Les neutrons sont produits par réaction de spallation de protons de 24 GeV accélérés par le PS, sur une cible de plomb. Les mesures sont effectuées à 187 mètres de la cible.

Une couverture d'eau permet le refroidissement de la cible et le ralentissement partiel des neutrons, ce qui permet d'atteindre un spectre quasiment plat entre 1 eV et 100 MeV. Tous les neutrons sont émis en moins de 10 ns (largeur du burst de protons et temps de ralentissement dans le plomb et l'eau), ce qui correpond à une résolution en énergie à 187 mètres de l'ordre de 5.10^-4 à 1 eV et 3.10^-2 à 1 MeV.Cette installation permet donc d'explorer à chaque burst toute une gamme d'énergie (7 à 8 ordres de grandeur) et de mesurer cette énergie avec une grande précision. De plus, l'intensité crête très élevée permet de minimiser le bruit de fond produit par la radioactivité des actinides ; on peut donc envisager des mesures très précises sur des actinides de durées de vie relativement courtes.

Description des détecteurs PPAC

Le groupe PACS de l'IPN d'Orsay est engagé dans les mesures de sections efficvaces de fission d'actinides. Comme il a été expliqué dans la partie d'introduction, ces mesures concerneront essentiellement les actinides du cycle du thorium et les actinides mineurs produits par les centrales actuelles. Le détecteur utilisé est un détecteur à plaques parallèles. Les produits de fission sont détectés par ionisation d'isobutane à 7 mbar. Le choix s'est porté sur ce type de détecteur, afin de minimiser la matière à placer dans le faisceau de neutrons et d'obtenir un signal rapide, compatible avec la résolution en énergie recherchée.

L'utilisation de bandes sur les cathodes couplées à des lignes à retard permet une mesure de la position des produits de fission émis et une calibration précise de la distribution spatiale du faisceau de neutrons.

Quelques photos de PPACs :

A consulter

Experimental activities at CERN-nTOF, L. Tassan-Got and the n-TOF collaboration
Lecture given at the Workshop on Nuclear Data for Science and Technology, Trieste, 10-21 septembre 2001

Collaboration n-ToF http://pceet075.cern.ch/

Publications

L. Tassan-Got, L. Audouin, B. Berthier, I. Duran, L. Ferrant, S. Isaev, C. Moreau, C. Le Naour, C. Paradela, C. Stephan and D. Trubert

FISSION OF ACTINIDES INDUCED BY NEUTRONS AT nTOF

AIP Conference Proceedings 769 (2005) 1529

C. Stephan, L. Ferrant, B. Berthier, S. David, L. Tassan-Got, C.-O. Bacri, F. Rejmund, C. Moreau and

the nTOF collaboration

NEUTRON-INDUCED FISSION CROSS SECTION MEASUREMENTS BETWEEN 1 eV AND 250 MeV

Journal of nuclear sciences and technology, supplement 2, August 2002

Proceedings of International Conference on Nuclear Data for Science and Technology, Tsukuba Japan 2001

Densité de niveau des actinides

Nuclear data in the actinide region are particularly important because they are basis behind all simulations of nuclear reactor core behaviour over both long time scales (fuel depletion and waste production) and short time scales (accident scenarios). Nuclear reaction cross sections must be known as precisely as possible so that core reaction rates can be accurately calculated. Although cross section measurements in this region have been widely performed, for certain nuclei, particularly those with short half lives, direct measurements are either very difficult or impossible and thus reactor simulations must rely on theoretical calculations or extrapolations from neighbouring nuclei. The greatest uncertainty in theoretical cross section calculations comes from the lack of knowledge of level densities, for which predicted values can often be incorrect by a factor of two or more.

Therefore there is a strong case for a systematic experimental study of level densities in the actinide region for the purpose of a) providing a stringent test of theoretical cross section calculations for nuclei where experimental cross section data are available and b) for providing better estimations of cross sections for nuclei in which no cross section data are available.

A consulter

J. Wilson et al., Nuclear Data for Reactor Physics. Cross Sections and Level Densities in the Actinide Region, presentation at CNR09, proceedings .