Spallation

Thématique et contexte du projet :

L'objectif général des études menées par le SPhN est d'atteindre une compréhension détaillée du mécanisme physique de la spallation. Outre l'intérêt fondamental d'une meilleure connaissance des mécanismes des réactions nucléaires, ces études s'inscrivent dans le cadre de la problématique des réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateur (ADS) qui constituent l'une des voies envisagées pour l'incinération des déchets nucléaires à vie longue. Ceux-ci font appel à un accélérateur de protons de haute intensité, bombardant une cible de spallation, généralement faite dans un matériau de numéro atomique élevé (W, Pb ou Pb-Bi). Les neutrons générés lors des réactions de spallation sont ensuite multipliés dans le réacteur sous-critique où ont lieu les réactions de transmutation.

Les sources de spallation ont aussi beaucoup d'autres applications (caractérisation de matériaux pour l'industrie et la biologie, irradiation pour les réacteurs du futur, la fusion, l'industrie spatiale, production de faisceaux radioactifs, …) qui bénéficieront de ces études. Une bonne connaissance de la spallation est aussi importante en astrophysique.

Les études allient mesures expérimentales des différents noyaux produits dans les réactions de spallation, test et amélioration des modèles théoriques décrivant la réaction, et simulations pour estimer l'impact des améliorations apportées dans la conception des sources de spallation. Il s'agit en effet de prédire avec une précision suffisante et quantifiée toute quantité relative aux réactions de haute énergie dans une source de spallation. En particulier, il est nécessaire de pouvoir déterminer les performances de la cible en terme de production de neutrons et d’estimer les problèmes spécifiques liés aux réactions de spallation comme par exemple les fuites de neutrons de haute énergie, les dommages aux matériaux dans la fenêtre et le conteneur de la cible, la radioactivité induite ou les modifications de composition chimique qui peuvent entraîner des problèmes de corrosion.

Localisation :

Les expériences ont lieu essentiellement auprès du synchrotron SIS du GSI Darmstadt en Allemagne.

Collaboration :

Les expériences sont menées par la collaboration FRS à la quelle participent Dapnia/SPhN, GSI Darmstadt (Allemagne), IPN Orsay, université de Saint-Jacques de Compostelle (Espagne)
Les modèles théoriques sont développés en collaboration avec l'université de Liège (Belgique)et inclus dans les codes de simulation en collaboration avec le LANL, Los Alamos (USA).

Approche scientifique

Moyens d'investigation :

Mesures expérimentales des différents produits de la réaction auprès de l'installation la plus appropriée, comparaison des résultats expérimentaux à des modèles théoriques, amélioration ou développement de modèles théoriques (cascade intranucléaire INCL4 et évaporation-fission ABLA) en collaboration avec des théoriciens puis validation des modèles sur les données expérimentales et enfin inclusion de ces modèles dans les codes de transport de haute énergie utilisés par les concepteurs de sources de spallation.

Spécificités :

La spécificité du groupe Spallation du SPhN réside dans son approche globale des réactions de spallation alliant mesures de diverses observables depuis plusieurs années, théorie et validation.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques :

Analyse des données de plusieurs expériences FRS.
Porte parole de l'expérience Spaladin au GSI.
Réalisation de chambres à dérive pour la localisation des ions lourds dans Spaladin.
Amélioration du modèle de cascade intranucléaire INCL4.
Responsable de l'inclusion des modèles INCL4 et ABLA dans le code MCNPX de Los Alamos.

Services associés :

SPhN (pilote), Sédi, SACM, SIS

Etats et perspectives

Dates importantes :

Expériences FRS :
- novembre 2001 : prise de données Xe+p entre 200 et 1000 MeV/A ;
- avril 2003 : thèse sur l'expérience Pb+p à 500 MeV/A ;
- décembre 2003 : thèse sur l'expérience Fe+p entre 300 et 1500 MeV/A.
Préparation de l'expérience Spaladin :
- juillet 2002 : premiers tests d'une partie du système de détection ;
- septembre 2003: test des chambres à dérive ;
- novembre 2003 : test de l'ensemble du dispositif expérimental.

octobre 2002 : publication du papier décrivant la nouvelle version du modèle INCL4

Etat au 31 décembre 2003 :

Expérience Spaladin prête pour dernier test général en janvier 2004 et prise de données en février 2004.

Modèles INCL4 et ABLA inclus dans le code de transport MCNPX et disponibles pour l'ensemble de la communauté.

Perspectives :

Poursuite des études dans le cadre du projet Eurotrans/Nudatra (2005-2009):
- utilisation du dispositif Spaladin pour réaliser diverses expériences: mesures des résidus en coincidence avec les neutrons et les particules chargées dans les réactions Fe+p (février 2004), Al+p (2006), Nb+p (2007) ;
- mesures de section efficace de fission en coincidence avec les neutrons(2005) ;
- Poursuite de l'amélioration des modèles, en particulier en ce qui concerne la production de noyaux légers.

Aux alentours de 2008 : début des expériences avec des faisceaux lourds (Pb+p, U+p) qui seront rendues possibles grâce à l'aimant Glad qui devrait être construit au GSI.

Bilan scientifique et technique :

- T. Enqvist et al., Isotopic yields and kinetic energies of primary residues in 1 A GeV 208Pb + p reactions, Nucl. Phys. A686 (2001) 481.
- T. Enqvist et al., Primary-residue production cross sections and kinetic energies in 1 A GeV 208Pb on deuteron reactions, Nucl. Phys. A703 (2002) 435.
- S.Leray et al, Spallation neutron production by 0.8, 1.2 and 1.6 GeV protons on various targets, Phys. Rev. C65, 044621 (2002)
- A.Boudard et al, Intranuclear cascade model for a comprehensive description of spallation reaction data, Phys. Rev. C66, 044615 (2002)
- J. Taieb et al., Evaporation residues produced in the spallation reaction 238U + p at 1 A GeV, Nucl. Phys. A 724 (2003) 41.
- M. Bernas et al., Fission residues produced in the spallation reaction 238U + p at 1 A GeV, Nucl. Phys. A 725 (2003) 213.
- L. Donadille et al., Activity and Chemical Composition Modifications Induced by Spallation Residues in a Pb or Pb-Bi Target, Contribution to Int. Conf. AccApp'03, San Diego, USA, June 2003.
- C. Villagrasa et al., Radiation Damages Induced By Spallation Residues In ADS Windows, Contribution to Int. Conf. AccApp'03, San Diego, USA, June 2003

Faits marquants :

13/03/2003 : "La spallation: quelle activité ?"