Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

La section efficace de capture radiative (n,γ) des actinides joue un rôle important dans le bilan neutronique d'un réacteur nucléaire. À tel point que l’amélioration de notre connaissance de la section efficace de capture de l'uranium-233 est préconisée par l'Agence de l'OCDE pour l'énergie nucléaire (AEN) dans le cadre des études de réacteurs innovants utilisant le cycle thorium-uranium. Et pourtant, les difficultés expérimentales sont telles que les rares mesures disponibles sont contradictoires entre-elles.

En effet, pour mesurer la section efficace de capture neutronique (n,γ) d'un noyau fissile radioactif avec un détecteur gamma, il faut pouvoir distinguer les rayons gammas issus des réactions de capture de ceux provenant des réactions de fission et du bruit de fond radioactif (Figure 1). On place pour cela, au centre du détecteur de rayon gammas, une cible dite "active", c’est-à-dire une cible participant activement à la mesure. Elle prend la forme d'un détecteur compact à l’intérieur duquel se trouvent les noyaux d’intérêt qui vont interagir avec le faisceau de neutron incident. Ce détecteur permet d'identifier à la fois les fragments issus des réactions de fission et les particules alphas issues des décroissances radioactives. L'utilisation de cette cible active au centre du détecteur gamma permet d'identifier tous les gammas associés à ces événements parasites et de ne retenir que ceux de la réaction de capture.

La solution adoptée consiste en une chambre à fission multi-plateaux fonctionnant sur le même principe que celle développée par la DAM Ile de France [1]. La nouvelle chambre, plus compacte, contient deux empilements de cellules d'ionisation renfermant de minces couches d'uranium (Figure 2). Au total, ~46 mg d'uranium-233 ont été répartis sur chacune des 14 cathodes par électrodéposition à JRC-Geel en Belgique. La rapidité du détecteur est assurée par l'utilisation de tétrafluorométhane (CF4) comme gaz ionisant et un espacement entre les électrodes de 3 mm seulement¹. Ce choix est un compromis entre rapidité de réponse et résolution en énergie du détecteur, et permet une discrimination suffisante entre les particules alphas et les fragments de fission. Le gaz circule dans le détecteur à la pression atmosphérique pour limiter les contraintes mécaniques et ainsi minimiser l'épaisseur du corps de chambre et des fenêtres. Ceci permet de réduire le bruit de fond généré par les neutrons diffusés. Les signaux des anodes sont pré-amplifiés et mis en forme par des circuits électroniques rapides spécialement développés par la DAM Ile de France. A titre d'illustration, le signal typique généré par un fragment de fission est caractérisé par un temps de montée (10%-90%) de 16 ns et une largeur à mi-hauteur (FWHM) de 34 ns seulement (Figure 3).

La mesure simultanée des sections efficaces de capture et de fission de l'uranium-233 a été réalisée auprès de la source de neutrons n_TOF du CERN, où la chambre à fission a été placée au cœur du TAC (Figures 4). La rapidité et l'efficacité du détecteur ont permis de distinguer les gammas de capture de ceux dix fois plus nombreux de fission dans un environnement radioactif très important (Figure 5). Ce résultat spectaculaire, associé à une excellente maitrise de la précision de cette identification, a permis d'extraire la section efficace de capture dans les meilleures conditions. Les données finales seront présentées dans une autre publication. In fine, ce travail contribuera à mieux simuler le comportement des réacteurs innovants utilisant le cycle thorium-uranium.

Ce travail permet également d'améliorer la connaissance des mécanismes de réactions des actinides, notamment grâce à la multiplicité et aux spectres des gammas de fission et de capture qui donnent accès à des informations de structure nucléaire.