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.
Les réactions de spallation
Parmi les différents types de réactions nucléaires, il existe des réactions dites de spallation. Elles ont lieu dans l’espace lorsque des noyaux du rayonnement cosmique interagissent avec des particules de gaz interstellaires ou rencontrent des satellites. Elles surviennent aussi dans des cibles bombardées par des particules issues d’accélérateurs conçues pour produire des flux intenses de neutrons, générer des isotopes rares ou servir à alimenter des réacteurs sous-critiques permettant la transmutation de déchets nucléaires. Plus précisément, la spallation est une réaction qui implique un noyau et une particule, généralement un nucléon (un proton ou un neutron), avec une énergie entre la centaine et quelques milliers de MeV1 . A ces énergies, le nucléon incident voit le noyau comme un ensemble de nucléons avec lesquels il va effectuer une série de collisions et éjecter quelques-uns des nucléons heurtés. Cette première étape, rapide, est dénommée cascade intranucléaire. Elle laisse un noyau plus petit que le noyau cible et dans un état excité. Celui-ci se désexcite ensuite lentement en émettant des particules de basse énergie ou, parfois en se scindant en plusieurs morceaux. Les noyaux finals sont appelés noyaux résiduels.
Résultat de l’évaluation des modèles de spallation : appréciation moyenne obtenue par les différents modèles en ce qui concerne la prédiction des taux de production des noyaux résiduels en fonction de leur masse ou de leur charge.
La modélisation
Depuis de nombreuses années, le groupe Spallation du SPhN développe, en étroite collaboration avec l’Université de Liège, un modèle de cascade intranucléaire, appelé INCL42 . Celui-ci, couplé à un modèle de désexcitation, permet de décrire le mécanisme de la réaction de spallation et de prédire la nature et les caractéristiques (énergie, angle d’émission) des différents noyaux et particules produits au cours de la réaction.
En 2010, l’AIEA a organisé une comparaison des différents modèles de spallation utilisés dans le monde avec un ensemble représentatif de données expérimentales, couvrant une large gamme de réactions et d’observables. Cette évaluation a montré que le modèle INCL4, couplé au modèle de désexcitation ABLA07 développé au GSI Darmstadt, donne le meilleur accord global avec les données, surtout quand il s’agit de prédire les caractéristiques des noyaux résiduels ou des particules composites émises [1].
Depuis, le modèle a encore été amélioré et étendu aux réactions en dessous de la centaine de MeV et induites par des particules composites. Cela fait l’objet d’un article accepté récemment pour publication dans le journal Physical Review C [2]. En parallèle, le code a été totalement réécrit en C++, langage aujourd’hui très usité.. Cette version contient de plus une extension aux réactions induites par des ions légers (jusqu’à l’oxygène) en vue notamment des applications médicales.
1MeV = Mega electron Volt
2INCL = Intra-Nuclear Cascade from Liège
Les codes de transport
Lorsque l’on doit simuler un système comme une source de spallation, un réacteur sous-critique ou un vaisseau spatial, il est nécessaire d’utiliser ce qu’on appelle un code de transport dans lequel tous les processus d’interaction particule-matière (nucléaires et électromagnétiques) sont pris en compte et toutes les particules
sont suivies. Le code de transport fait appel pour les réactions de spallation à un modèle qui fournit les probabilités d’interaction et les caractéristiques des particules secondaires générées.
Il existe un petit nombre de codes de transport largement utilisés dans le monde. Le code américain MCNPX et son équivalent japonais PHITS sont les plus employés pour les applications liées aux sources de spallation et aux réacteurs sous-critiques. FLUKA est un code CERN-INFN servant surtout en radioprotection et pour les applications médicales. Enfin, GEANT4 (issu d’une collaboration internationale centrée sur le CERN) et MARS (du Fermilab aux USA) ont été développés à l’origine essentiellement pour la simulation de détecteurs en physique subatomique mais sont maintenant utilisés pour de multiples applications.
Dans beaucoup de ces codes de transport, les modèles décrivant les réactions de spallation sont relativement anciens et se sont avérés peu prédictifs lors de l’évaluation menée par l’AIEA. Au vu des performances d’INCL4, les développeurs de PHITS ont non seulement souhaité intégrer le modèle dans leur code mais en plus en faire le modèle par défaut. Un accord de coopération a d’ailleurs été signé en février dernier avec le JAEA3 à ce sujet. INCL4 a aussi été inclus dans une version de MCNPX et devrait l’être bientôt dans MCNP6 qui doit lui succéder. Enfin, la version C++ avec son extension aux ions légers est utilisable dans la dernière distribution de GEANT4.
Activité (en Becquerel) des différents isotopes produits par les réactions de spallation dans la cible de tungstène d’ESS en fonction de la charge et de la masse de ces isotopes, à la fin d’une période d’irradiation de 3 ans.
Exemples d’applications
Il est donc maintenant possible d’utiliser INCL4 pour simuler diverses applications des réactions de spallation. Par exemple, des calculs ont été faits avec MCNPX pour le projet de source européenne de spallation (ESS) en Suède. Il s’agissait de prédire les noyaux radioactifs produits par l’irradiation par le faisceau de protons de 2,5 GeV de la cible de tungstène envisagée.
Un autre exemple concerne une expérience réalisée auprès de l’installation ISOLDE au CERN, au cours de laquelle un faisceau de protons bombardait une cible de plomb-bismuth liquide. Cette expérience avait mis en évidence la production de noyaux d’astate mal prédite par les calculs précédents. Ces isotopes de l’astate sont issus de voies de réactions très spécifiques et sont potentiellement gênants.
En effet, l’astate est volatile et ses isotopes décroissent vers des isotopes du polonium, particulièrement dangereux. La simulation avec MCNPX a montré qu’INCL4 reproduisait la production des isotopes d’astate, contrairement aux autres modèles disponibles dans le code. Ce succès est dû notamment au fait qu’INCL4 prédit correctement à la fois la production de noyaux d’hélium dans les réactions primaires et les réactions secondaires induites par ces noyaux, réactions qui sont responsables de la majeure partie de la production d’astate.
Ces résultats ont été acceptés pour publication dans European Physics Journal A [3].
Perspectives
Fort de son succès, le modèle est aujourd’hui implanté dans trois des codes de transport les plus utilisés dans le monde. Les auteurs du code MARS sont aussi intéressés par le modèle mais souhaitent une version étendue à plus haute énergie (jusque 15 à 20 GeV). Pour cela il est nécessaire d’inclure des voies de production de particules étranges, tâche à laquelle va s’atteler le groupe Spallation dans les années à venir. Par ailleurs, l’extension aux collisions noyaux-noyaux, importante pour les applications aux domaines médical et spatial, va être poursuivie
Contact IRFU/SPhN: A. Boudard, J.C. David, S. Leray and D. Mancusi
[1] http://www-nds.iaea.org/spallations/
[2] A. Boudard et al., Phys. Rev. C 87 (2013) 014606
[3] J.C. David et al., Eur. Phys. J. A (2013)
3 Japan Atomic Energy Agency
• Structure de la matière nucléaire › Dynamique des réactions nucléaires
• Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• Laboratoire d'études et d'applications des réactions nucléaires (LEARN)
