Maquette de l’expérience Megapie (MEgawatt PIlot Experiment) où l'on voit les dipoles de la ligne faisceau (en bas), la cible (au centre) entourée du modérateur en D2O (en bleu).
Megapie (Megawatt pilot experiment) est un projet international ayant pour objectif de concevoir, fabriquer, tester et démanteler la première cible de spallation en plomb-bismuth liquide supportant un dépôt de puissance de 1 MW. Cette cible est utilisée comme source de neutrons. Ces derniers sont générés par l'interaction d'un faisceau de protons (590 MeV d'énergie) de haute intensité avec la cible. Afin de caractériser le flux neutronique (distribution en énergie et intensité), le Dapnia a construit et installé un détecteur de neutrons au centre de la cible. Les données recueillies par ce détecteur ont pour objectif fondamental de valider intégralement les codes de simulation utilisés pour décrire la physique des cibles de spallation, incluant la production et le transport des neutrons.
Physique pour l'énergie nucléaire/Données nucléaires et modélisation
La mise au point de réacteurs nucléaires sous-critiques, intrinsèquement sûrs, pour incinérer les déchets nucléaires - par transmutation d’actinides de durée de vie longue en radioéléments de plus courte période - ou la production de faisceaux intenses de neutrinos ou de noyaux radioactifs, réclament des sources intenses de neutrons. Ces sources sont produites par la technique de spallation, c’est-à-dire l’interaction d’un faisceau de protons de haute énergie et haute intensité avec une cible contenant des métaux lourds. Compte tenu de la puissance déposée par les protons dans la cible (de l'ordre de quelques MW) seuls des métaux sous forme liquide peuvent à la fois résister aux défauts induits et évacuer la chaleur. Dans ce contexte l'expérience Megapie est pionière et ouvre la voie vers des cibles de haute puissance.
L'expérience s'est déroulée en 2006, au Paul-Scherrer Institut (PSI), à Villigen en Suisse. La cible était installée sur la ligne de faisceau de SINQ. La construction du détecteur de neutrons par le Dapnia a été réalisée en France avec le CEA/DEN cadarache, et des sous-traitants français comme Photonis, Thermocoax, Kayme, ...
Cible MEGAPIE, après sa livraison et avant son installation dans le hall SINQ. Cette cible a été irradiée pendant quatre mois, de août à décembre 2006, et est actuellement en attente de découpe afin d'étudier le comportement, sous irradiation, des matériaux qui la compose.
Implantation du détecteur neutrons (chambres à fissions), construit par le Dapnia, dans la cible Megapie.
Les contributions:
Le Dapnia s'est fortement impliqué dans l'expérience Megapie par l'élaboration de l'ensemble de détection de neutrons ainsi que les simulations de validation qui accompagnent. La mesure est un véritable succès malgré les difficultés liées aux contraintes de la cible: espace disponible réduit, rayonnements intenses, haute température (400 °C) et faible intensité de signal.
Responsabilités scientifiques et techniques:
Le Dapnia a pris en charge l'étude du flux de neutrons à l'intérieur de la cible. Cette étude comprend la fabrication, calibration et installation du détecteur neutrons, ainsi que la prise de données, analyse et interprétation des résultats.
Septembre 2008:
-Etude de l'évolution des dépôts (chambres à fission)
-Analyse des moniteurs de flux
La collaboration MEGAPIE regroupe plusieurs instituts internationaux: CEA, CNRS, PSI, FZK, ENEA, DOE, JAEA, SCK-CEN, KAERI, LANL.
Plus particulièrement pour le développpement du détecteur et son installation, le Dapnia a collaboré avec:
Distributions en énergie des neutrons simulées par Monte Carlo et "vues" par les détecteurs. Les différentes distributions correspondent à différentes positions le long de l'axe central de la cible.
Les neutrons générés dans la cible par les réactions de spallation sont enregistrés grâce à des détecteurs appelés chambres à fission. Ces détecteurs miniatures (quelques millimètres de diamètre) offrent la possibilité de mesurer des flux aussi intenses que quelques 1014 n/cm2/s. Placés à différentes altitudes dans l'axe central de la cible, ils permettent une caractérisation du flux à l'intérieur de celle-ci et d'étudier ainsi les différences spectrales selon le parcours du neutron: plus son parcours sera grand et plus son énergie sera diminuée à cause des chocs successifs avec la matière environnante. A ces détecteurs internes, des compteurs 3He ont également été placés en haut de la tête de cible afin de mesurer les neutrons émis plusieurs secondes après l'arrêt du faisceau (neutrons retardés).
Ces mesures sont complétées par des simulations Monte-Carlo extrêment poussées qui tiennent compte d'un grand nombre de détails géométriques.
Le détecteur neutrons est constitué de huit chambres à fissions miniatures et d'une structure mécanique. Le système d'acquisition, développé également au DAPNIA, mesure les courants générés dans ces chambres, lors de la fission induite par les neutrons, avec une précision de quelques nanoampères pour une polaritée pouvant aller jusqu'à 400 Volts. L'atout de cette acquisition est de pouvoir couvrir une très large gamme en courant: de 500nA à 100μA.
De plus il s’agissait de réaliser un détecteur de neutrons devant fonctionner pendant six mois, sans intervention possible, à des températures variant entre 230°C et 600°C et de mesurer des courants très faibles, propagés sur une distance de plusieurs dizaines de mètre, dans un environnement nucléaire extrêmement radiatif.
L’un des défis relevés par les équipes du SIS a été de mettre en œuvre des techniques comparables à la micromécanique horlogère dans un environnement nucléaire. Il leur a fallu, par exemple, intégrer un ensemble de 8 minuscules détecteurs de neutrons (micro-chambres à fission ) dans un espace réduit d’une dizaine de millimètres. L’ensemble ainsi constitué est formé de 4 étages de micro-chambres à fission, de la taille d’une cartouche de stylo à encre, associées 2 par 2.
Micro-chambres à fissions : Elles contiennent des dépôts d’isotopes d’uranium 235, ou de neptunium 237, ou d’américium 241. Deux d’entre elles sont entourées d’un blindage en gadolinium de 200 µm d’épaisseur pour absorber les neutrons thermiques. Ces chambres ont été développées, en collaboration avec le DEN/DER/SPEX, afin de tenir les hautes températures, puis elles ont été testées et étalonnées dans le réacteur à haut flux de l’Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble).
Modelling of fission chambers in current mode - Analytical approach [dapnia-06-148]
S. Chabod, et al. (A. Letourneau, F. Marie), Nuclear Instruments and Methods A, Vol. 566, n°2 (2006) 633
Neutron flux characterisation of MEGAPIE target [dapnia-05-475]
S. Chabod, et al. (G. Fioni, Y. Foucher, A. Letourneau, F. Marie), NIM A562 (2006) 618-620
Measurement of the 210Po production induced by thermal neutron capture on 209Bi [dapnia-05-370]
A. Letourneau, et al. (G. Fioni, F. Marie, D. Ridikas), Annals of Nuclear Energy, Vol. 33, n°4 (2006) 377
Estimation of 210Po losses from the solid 209Bi target irradiated in a thermal neutron flux [dapnia-02-241]
D. Pankratov, et al. (D. Ridikas, A. Letourneau), Annals of Nuclear Energy, Vol. 30, n°7 (2003) 785
Nuclear Data for Science and Technology (ND2007), Nice (France), 22/04/2007 - 27/04/2007
Neutronic performances of the MEGAPIE target
S. Panebianco, et al. (O. Bringer, S. Chabod, E. Dupont, A. Letourneau)
Delayed neutrons measurement at the MEGAPIE target [arXiv:0705.3738]
S. Panebianco, et al. (D. Doré, A. Letourneau, A. Prevost, D. Ridikas)
Nuclear Fission and Fission-Product Spectroscopy, Cadarache (France), 11/05/2005 - 14/05/2005
Transmutation and Neutron Flux Studies with Fission Chambers in the MEGAPIE Target
S. Chabod, et al. (G. Fioni, Y. Foucher, A. Letourneau, F. Marie)
Nuclear Applications of Accelerator Technology (AccApp 2005), Venise (Italie), 29/08/2005 - 01/09/2005
Proceedings publiés dans Nuclear Instruments and Methods A, Vol. 562, n°2 (2006)
Neutron flux characterisation of MEGAPIE target [dapnia-05-475]
S. Chabod, et al. (G. Fioni, Y. Foucher, A. Letourneau, F. Marie), NIM A562 (2006) 618-620
Nuclear Data for Science and Technology (ND2004), Santa Fe, New Mexico (USA), 26/09/2004 - 01/10/2004
Measurement of the Neutron Flux in the 1 MW Pb-Bi Liquid Target of the MEGAPIE Project
F. Marie, et al. (S. Chabod, Y. Foucher, A. Letourneau, D. Ridikas)
The 209Bi(nth,g)210Bi and 209Bi(nth,g)210m,gBi Cross Sections Determined at the Budapest Neutron Centre
A. Borella, et al. (E. Berthoumieux, F. Gunsing, A. Letourneau, F. Marie)
Actinide and Fission Product Partitioning & Transmutation, Jeju (Corée), 14/10/2002 - 16/10/2002
Feasibility study of new microscopic fission chambers dedicated for ADS [dapnia-02-243]
M. Fadil, D. Ridikas, Ch. Blandin, S. Bréaud, O. Déruelle, G. Fioni, M-L. Giacri, A. Letourneau, F. Marie
Développment et modélisation de chambres à fission pour les hauts flux, mise en application au RHF (ILL) et à MEGAPIE (PSI)
S. Chabod, Université de Paris XI, soutenue le 30 novembre 2006.
Un des 9 moniteurs de flux (diamètre réel : 4 mm) servant à mieux caractériser la distribution en énergie des neutrons. Ces moniteurs seront analysés pendant la phase PIE.
Mai 2003, approbation de l'implication du Dapnia dans Megapie et financement du projet par PSI (21%), CEA DEN (37%) et Dapnia (42% + main d'oeuvre).
Janvier 2006, installation du détecteur neutron dans la cible.
14 août 2006, mise en fonctionnement de la cible jusqu'au 21 décembre 2006.
31 janvier 2006: La cible MEGAPIE a fonctionné pendant quatre mois à une intensité faisceau proche 1.3 mA, soit un dépôt de puissance d'environ 800 kW. Le détecteur de neutrons a très bien fonctionné pendant tout ce temps et a permis d'enregistrer toutes les secondes les variations du flux. Les données enregistrées tout au long du fonctionnement sont en cours d'analyse.
Novembre 2006: Soutenance de la thèse de Sébastien Chabod, portant sur le développement des détecteurs pour MEGAPIE et des premiers résultats.
Le succès de MEGAPIE est une première mondiale sur le fonctionnement d'une cible plomb-bismuth liquide à haute puissance.
Voir aussi "le Dapnia en coeur de cible"
La cible est en cours de refroidissement avant d'être découpée dans la seconde phase de l'expérience appelée PIE (Post Irradiation Experiment).
Les données accumulées lors de l'expérience sont en cours d'analyse et comparées aux simulations. Les simulations sont de plus en plus raffinées afin de tenir compte d'effets perturbateurs comme l'absorption de neutrons par des poisons naturels contenus dans la cible sous forme d'impuretés.
En 2008, les données accumulées en ligne par les chambres à fissions seront complétées par l'analyse d'échantillons irradiés.
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• Laboratoire d ’électronique instrumentale • pas de titre • Laboratoire des Relations Industrielles (LRI)
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Dernière mise à jour : 24-04-2024
