Mesure de sections efficaces (n,xn γ ) d’intérêt pour le cycle électronucléaire Rencontres...

Mesure de sections efficaces (n,xnγ)

d’intérêt pour le cycle

électronucléaire

Rencontres Jeunes Chercheurs 2014, 17 – 21 novembre, Strasbourg

Olivier Capdevielle – groupe GRACE (IPHC)

1

Contexte général Réacteurs nucléaires

Données évaluées

Réactions (n,xn) – généralités

Mesures (n, xn γ) Dispositif expérimental

Analyse de données

Conclusion et perspectives

Plan

RJC 2014 - 17 au 21 novembre, Strasbourg Olivier Capdevielle

2

Contexte général


3

Actuellement : Réacteurs à eau pressurisée Combustible : 235U (~ 0,7 % de l’uranium naturel)

Fission induite par neutrons thermiques (En < 0,2 eV)

Stocks mondiaux : environ 100 ans

Nouveaux cycles de combustible

Cycle 232Th/233U

Cycle 238U/239Pu

Cycles régénérateurs ou surgénérateurs

Stocks présents en grande quantité : plusieurs dizaines de milliers d’années

Réacteurs de Génération IV


4

Contraintes

Sécurité et fiabilité

Réduction des déchets

Protection contre les agressions extérieures

Réduction des coûts

Réduction de l’utilisation des ressources naturelles

fertile fissile

Réactions dans une centrale

Réactions dans un réacteur nucléaire :

Radioactivité

Fission

Diffusions élastiques et inélastiques

Production de nombreux isotopes (actinides par capture, produits de fission…)


5

Demandes de mesures de précision (< 10 %) :

NEA Nuclear Data High Priority Request List

Nombreux nucléides

Large gamme en énergie

Différentes réactions

Données évaluées


6

Données expérimentale

s

Contraintes expérimental

es

Modèles théoriques

Données évaluées(ex : ENDF, JEFF,

JENDL…)

Simulation numérique du réacteur

Études de sensibilité(puissance

thermique, keff…)

Phénoménologiqueou

Microscopique

Données évaluées : exemple


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État de l’art :

40 mesures dans EXFOR entre 1956 et 2009 et 8 mesures intégrales

Importantes différences entre les données expérimentales et les données évaluées

Incertitudes : ~20% sur les sections efficaces 238U(n,n’)

Précision requise dans la High Priority Request List de la NEA : 5 %


8

Dans un réacteur, les réactions (n, xn) influent sur :

Mécanismes de perte d’énergie

Multiplication des neutrons

Production d’isotopes radioactifs

Méthodes de mesure :

Mesure directe des neutrons secondaires

Activation

Spectroscopie gamma prompte

Cette méthode permet la mesure de la section efficace (n,xn γ).

La raie γ signe la réaction

Couplage possible à des installations temps de vol

Possibilité d’utiliser des faisceaux « blancs »

Réactions (n,xn) - généralités


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Niveau fondamental

Niveaux excités

Transition non mesurée

𝑌 ∗𝑍𝐴

𝜎 (𝑛 , 𝑥𝑛𝛾 )𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟 é 𝑒 𝜎 (𝑛 , 𝑥𝑛)𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒Modèles théoriques

Calcul de la section efficace totale :

Paramètres structure

Réactions (n,xn) - généralités

Dispositif expérimental Installation temps de vol (GELINA – IRMM)

Faisceau de neutrons :

Énergies : ~ eV à ~25 MeV

Faisceau pulsé à 800 Hz

Flux total : 3,4.1013 neutrons.s-1

Mesures à 30 m, flux : 3,05.106 neutrons.s-1


10

électrons Cible U

neutrons Zone de vol 30 m

GRAPhEMEGeRmanium array for Actinides PrEcise MEasurements


11

1 chambre à fission (dépôt 235U)

+4 diodes HPGe

planaires (Ø 30 et 50 mm, épaisseur 20 et

30 mm)

Blindage : cuivre,

cadmium, plomb

Faisceau neutrons

Faisceau neutrons

Acquisition digitale : TNT2 (IPHC).Enregistrement :- Temps de

l’interaction- Énergie γ

déposée

Analyse de données : mesures par temps de vol


12

Détecteur

Production des neutrons et du γ flash

Distance : 30 m

Mesures à 30 m, résolution en énergie (neutrons) :

À 20 MeV : 0,86 MeV

À 100 keV : 0,3 keV

Temps de vol

En

13 μs

200 keV

2 μs

1 MeV

0,8 μs

5 MeV

0,4 μs

25 MeV

Fréquence de répétition : 800 Hz

Analyse de données : cible de zirconium naturel


13

γ flash

Radioactivité(137Cs)

90Zr(n,n’)

92Zr(n,n’)

(e+,e-)

Analyse de données : cible de zirconium naturel


14

Spectre (n, 2n) - 6 à 20 MeV

Spectre (n, n’) – (~)0 à 6 MeV

91Zr

(n,n

’)

93Zr

(n,n

’)89Zr

(n,n

’)

90Zr

(n,n

’)

##

Analyse de données : calcul de sections efficaces


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Détecteurs HPGe

Chambre à fission (CF)

Mesures et données constructeur

𝑁 é𝑚𝑖𝑠=𝜎 .𝑁 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡 .𝑁 𝑐𝑖𝑏𝑙𝑒

Section efficace

Prise en compte de la distribution angulaire : la méthode de Gauss.

Détermination expérimentale de : εHPGE, Ncible, εCF .

Précision de ces éléments : ~ 2 %.

Conclusion et perspectives


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Le zirconium est présent dans les alliages des crayons de combustible.

Il est soumis à d’importants rayonnements.

Travaux à venir : analyse des données acquises (cible de zirconium naturel, ~ 1300 h sous faisceau), comparaison avec modèles théoriques (ex : TALYS, EMPIRE), calcul des incertitudes sur les résultats…

État de l’art diffusion inélastique (1955 – 2014) :

90Zr (n, n’)tot:

7 mesures de sections efficaces

91,92,96Zr(n, n’)tot :

pas de données dans EXFOR

Besoins de données nucléaires

90Zr (n, n’)

Remerciements O. Capdevielle, A. Bacquias, Ph. Dessagne, G. Henning,

M. Kerveno

Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, Université de Strasbourg, France

A.J.M. Plompen, F. Belloni, M. Nyman, E. Pirovano, J.C. Drohé, R. Wynants, W. Motta, G. Sibbens, A. Moens, S. Melis

EC/ JRC-IRMM, Geel, Belgique

C. Borcea, A. Negret, A. Olacel, G. Suliman

Nat. Inst. Of Phys. And Nucl. Eng., Bucharest, Roumanie

P. Romain, M. Dupuis, S. Hilaire, B. Morillon

CEA Bruyères-le-chattel

D. Bernard, P. Lecomte, C. de Saint Jean

CEA Cadarache


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Estimation de l’efficacité de d’une diode germanium


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CibleEuropium

Détecteur

Prélim

inaire

Prélim

inaire

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