Le DPhN en collaboration avec le DEDIP, la DAM Ile de France (DAM/DIF) et JRC-Geel a développé une chambre à fission compacte servant de cible active au centre du calorimètre gamma de la Collaboration n_TOF. Ce dispositif permet d'étudier les rayons gammas spécifiquement issus des réactions de capture radiative (n,γ), souvent noyés dans un flot d'événements de fission également générateurs de gamma.

INCL (intra nuclear cascade from Liège) est un code de simulation reconnu pour sa capacité à modéliser les interactions particule légère – noyau. Il est utilisé dans des domaines très divers, comme la protonthérapie, les sources de neutron, les faisceaux d'ions radioactifs ou encore les ADS (Accelerator Driven System). Afin d’étendre ses performances dans le domaine des réactions à plus haute énergie, en lien avec le rayonnement cosmique ou l'étude des hypernoyaux, une équipe de physiciens menée par l’Irfu a récemment développé une nouvelle version du code permettant d’inclure les particules étranges. Ce travail était au cœur d’une thèse récemment soutenue (2019) et les nouvelles possibilités offertes par ce code ont été publiées début 2020 dans la revue Physical Review C [1].

Le code FIFRELIN simule la fission nucléaire et la désexcitation des noyaux alors produits. STEREO est un détecteur compact de neutrinos qui cherche un hypothétique neutrino stérile. Deux thématiques a priori disjointes développées au CEA, la première à la DEN, la seconde à la DRF/Irfu, qui se sont pourtant récemment rencontrées pour atteindre une précision inédite sur un ingrédient crucial de la détection des neutrinos : la désexcitation d’un noyau de Gadolinium après la capture d’un neutron. Les résultats de cette rencontre viennent d’être publiés dans la revue The European Physical Journal A [1].

NFS (Neutrons For Science) est une aire expérimentale de l’installation Spiral2 (Ganil, France) qui fournira des faisceaux de neutrons de grande intensité pour des énergies allant de 0.5 à 40 MeV. Ces derniers seront créés par collision des faisceaux de particules chargées de Spiral2 avec des cibles de carbone, béryllium ou lithium, grâce à un élément clé de NFS, le convertisseur. La conception de celui-ci constitue un réel défi puisqu’il doit résister à une grande puissance déposée par les faisceaux intenses de Spiral2. Dans ce cadre, l’Irfu a conçu et réalisé un convertisseur capable de soutenir une puissance de 2 kW. Les faisceaux de neutrons de NFS permettront d’obtenir des informations dans un domaine en énergie encore peu exploré. La physique fondamentale, la modélisation des réactions nucléaires et les bases de données nucléaires bénéficieront ainsi d’un outil unique.

La collaboration n_TOF, dont l'Irfu et l’IPN Orsay comptent parmi les membres fondateurs les plus actifs, étudie au Cern depuis une quinzaine d'années les réactions entre neutrons et noyaux atomiques, aidant à comprendre comment la matière est structurée et s’organise à l’échelle nucléaire. Au-delà de l'intérêt intrinsèque de l’étude de la matière nucléaire, les réactions induites par neutrons jouent un rôle clé dans le domaine de la technologie nucléaire et dans l'étude de la nucléosynthèse primordiale et stellaire en astrophysique. En particulier, le problème du lithium cosmologique a été étudié récemment dans la toute nouvelle zone d'expérimentation EAR2 avec une mesure de la réaction 7Be(n,?)4He. Les résultats, qui viennent d'être publiés dans la prestigieuse revue à fort impact Physical Review Letters [1], permettent d’affiner notre compréhension de la nucléosynthèse primordiale et excluent un rôle important de cette réaction dans le problème du lithium cosmologique.

Un nouveau détecteur Micromegas vient d’être développé à l’Irfu : pour la première fois, la micro?grille et l’anode sont segmentées en pistes, dans des directions perpendiculaires. Ce détecteur offre ainsi une vraie structure 2D pour la reconstruction des trajectoires des particules chargées. De plus, ayant une masse très faible, il est parfaitement adapté à des mesures en faisceau de neutrons moyennant l’utilisation d’un convertisseur. Le détecteur a été testé avec succès et est dorénavant utilisé comme profileur transparent du faisceau de neutrons de l’expérience n_TOF au CERN.

Les neutrons retardés jouent un rôle primordial pour le pilotage des réacteurs. Ils sont aussi utilisés dans certaines techniques d’interrogation de colis de déchet ou de détection de matières nucléaires. Une équipe du CEA a récemment déterminé les rendements des neutrons retardés produits par la fission du thorium induite par des neutrons de 2 à 16 MeV, une partie de cet intervalle n’ayant jamais été explorée à ce jour.

 

Origine des neutrons retardés

Lors de la fission des actinides, la majorité des fragments produits sont radioactifs. Ces fragments riches en neutrons rejoignent la vallée de stabilité par décroissance ß-. Lorsque le noyau fils est produit avec une énergie d’excitation supérieure à l’énergie de liaison d’un neutron, il y a émission d’un neutron. Puisque ces neutrons sont émis après la décroissance ß- , ils sont appelés retardés et le fragment d’origine est appelé précurseur de neutrons retardés (Fig. 1).

Il existe plus de 200 noyaux précurseurs. Ils sont généralement représentés en 6 groupes, chaque groupe étant caractérisé par un temps de vie (Ti) et une abondance relative (ai). La distribution temporelle du nombre de neutrons émis en fonction du temps est donnée par :

  

Une collaboration européenne combinant des prédictions issues de calculs de structure nucléaire avec des modèles de nucléosynthèse apporte, pour la première fois, une explication simple à l’abondance des terres rares dans le système solaire : une fission doublement asymétrique.

 

Les théories actuelles modélisant la fission s’attachent à reproduire la fission asymétrique des actinides (Z > 89) mais elles ne prévoient pas la fission d’éléments plus légers comme celle des isotopes de mercure. En particulier, le Mercure-180 (180Hg) présente un comportement inattendu, mis en évidence par des mesures récentes, car il privilégie une cassure en deux noyaux de masses différentes alors que les mercures plus lourds se scindent à peu près symétriquement.


Une équipe de la collaboration DAM-DSM en physique nucléaire (Cophynu) a élaboré un nouveau modèle théorique, SPY (Scission Point Yields), capable de prédire le caractère symétrique ou non de la fission de n’importe quel noyau. Ce modèle repose sur l’étude microscopique du « point de scission », c’est-à-dire du moment exact de la fission où les deux fragments du noyau viennent de se former. Le modèle se base sur les caractéristiques de plus de 7 000 noyaux, évaluées grâce aux outils de calcul intensif du CEA. Il permet de calculer les distributions en masse et en énergie des fragments de fission de tous les noyaux, sans exception, en se basant sur la seule structure des noyaux fils. 
 

 

 

 

Depuis de nombreuses années, le groupe Spallation du SPhN développe, en étroite collaboration avec l’Université de Liège, un modèle décrivant les réactions de spallation, appelé INCL. Fort de ses remarquables performances dans une évaluation internationale, ce modèle vient d’être inclus dans trois des grands codes de simulations utilisés dans le monde pour modéliser et concevoir les équipements dans lesquels ces réactions interviennent.

Une gestion efficace des colis de déchets nucléaires est conditionnée par l'identification et la quantification des matières nucléaires qu'ils contiennent. Au CEA des méthodes non destructives de caractérisation de ces colis sont mises au point afin de les classifier et les orienter vers le stockage adéquat. Les mesures passives qui consistent à mesurer les radiations émises naturellement sont insuffisantes car le contenu, nucléaire et autre, du colis joue le rôle d'un blindage. A contrario, l'irradiation par photon pourrait permettre de quantifier et d'identifier le contenu en actinides (éléments dont le numéro atomique est supérieur à 89) d'un colis. Depuis quelques années, une équipe du Service de physique nucléaire de l'Irfu, dans le cadre du projet PhotoNuc, mesure les caractéristiques de l'émission des neutrons et gamma retardés émis par les fragments issus de la fission induite par photon (photofission) des actinides. Ces données sont essentielles à l'optimisation d'un dispositif visant à trier un nombre important de fûts de déchets. Les résultats pour les gamma retardés ont fait l'objet d'une communication à la conférence PHYSOR081 et ont été sélectionnés pour publication rapide dans Annals of Nuclear Energy.  

En envoyant un proton de haute énergie sur un noyau, on produit quantité de fragments divers, c’est ce que les physiciens appellent la spallation. Cette réaction entre en jeu dans les sources de neutrons de spallation, qui ont de multiples applications potentielles (réacteurs nucléaires sous-critiques, caractérisation de nouveaux matériaux) ou pour la compréhension des effets des rayonnements cosmiques dans le domaine spatial. Les réactions de spallation permettent également d’exciter les noyaux (c.-à-d. augmenter le degré d’agitation des nucléons dans le noyau). Comment se passe ensuite la désexcitation conduisant à la production des différents fragments ? C’est à cette question que s’intéressent les physiciens du Service de physique nucléaire de l’Irfu au sein de la collaboration SPALADIN, auprès de l’accélérateur d’ions lourds GSI à Darmstadt, en Allemagne. Ils ont étudié l’évolution des modes de désexcitation de noyaux de fer, et les observations sont en accord avec un modèle dit séquentiel. Ces études permettront d’améliorer les modélisations utilisées pour les applications envisagées. Ces résultats viennent d’être publiés dans Physical Review Letters1 .

Une nouvelle cible d’hydrogène liquide vient d’être mise en place dans le cadre du programme Spaladin au GSI-Darmstadt (Allemagne) qui étudie les interactions entre des ions lourds et des protons. Cette cible doit réduire au maximum les interactions parasites à la fois dans les parois de la cible et dans la cible elle-même. Pour soutenir cette gageure, les ingénieurs-chercheurs et techniciens du Dapnia ont conçu une cible qui fait appel à d’astucieuses innovations techniques.

Divers projets internationaux étudient les réacteurs hybrides qui utilisent un faisceau de neutrons produit par un accélérateur pour asservir un réacteur nucléaire. Ces systèmes nécessitent des détecteurs de neutrons fonctionnant sur une large gamme d’énergie et peu sensibles aux rayonnements X ou gamma. Dans le cadre du projet Trade à Casacia en Italie, les équipes du Dapnia viennent d’achever le développement d’un détecteur conçu spécifiquement pour ce besoin : Piccolo Micromegas.

Il est possible de provoquer des réactions nucléaires avec des rayons gamma, ce sont les photoréactions. En détectant les neutrons ou les rayons gamma secondaires produits par ces photoréactions, on pourra détecter des matériaux fissiles dans des colis de déchets radioactifs ou bien faciliter le contrôle des matières nucléaires dans le cadre des traités de non prolifération. Il faut auparavant décrire correctement ce type de réactions. En collaboration avec le laboratoire américain de Los Alamos, les physiciens nucléaires du Dapnia ont modélisé les photoréactions des principaux isotopes de matériaux fissiles (uranium, neptunium, plutonium et américium). Les évaluations tirées de ces modélisations viennent d’être intégrées dans la base de données nucléaires américaine ENDF/B-VII, utilisée par la communauté internationale.

L’incinération des déchets nucléaires par la transmutation d’actinides de durée de vie longue en radioéléments de plus courte période ou la mise au point de réacteurs nucléaires sous-critiques, intrinsèquement sûrs, réclament des sources de neutrons intenses.  Pour produire de telles sources, on utilise la technique de spallation, c’est-à-dire l’interaction d’un faisceau de protons de haute énergie avec une cible. Le projet international Megapie a pour objectif de concevoir, fabriquer et tester une cible de spallation en plomb-bismuth liquide. Dans ce cadre, le Dapnia a réalisé un  « détecteur de neutrons » pour déterminer les caractéristiques des neutrons produits par la cible et pour étudier ses capacités d’incinération des actinides mineurs. Ce détecteur vient de franchir une étape majeure dans sa réalisation : il vient d’être installé au sein même de la cible.

L’étude des actinides mineurs constitue, aujourd’hui, un intérêt majeur pour la gestion des déchets de l’industrie nucléaire. Les noyaux de curium, formés à partir des isotopes d’américium, sont, en particulier, extrêmement difficiles à manipuler et à stocker du fait de leur forte activité. C’est pourquoi les scénarios futurs de production d’énergie par le nucléaire prennent en compte la formation de ces noyaux et essaient de réduire leur production, voire de les incinérer. Or un passage obligé pour former ces éléments lourds est l’américium 244 dont il convient de connaître, avec précision, les taux de formation et les temps de vie de son état fondamental 244gsAm et de son état métastable 244mAm. Grâce à une collaboration entre des équipes du Service de physique nucléaire du Dapnia et du Service de systèmes et technologies pour la mesure du Detecs (CEA/DRT/LIST), l’état métastable 244mAm a pu être étudié dans une mesure par activation neutronique.

 

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