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.
Figure 1 : Chaîne de transmutation de l'243Am
Pour brûler des éléments lourds, comme l’243Am formé à partir de l’uranium, il faut un isotope fissile : l’ 244Am (figure 1). Bien que très fissile, ce noyau nécessite des flux de neutrons intenses pour fissionner avant qu’il ait pu transmuter en 244Cm, du fait des courtes durées de vie de son état fondamental (10.1 h) et de son état métastable (~30 mn). Selon que l’on passe par l’état fondamental ou l’état métastable, les conditions de flux diffèrent notablement. En effet, l’incinération de 50% de l’243Am nécessite 9•1015 neutron/s en passant par l’état fondamental et 3•1017 neutrons/s en passant par l’état métastable. Les incertitudes sur la durée de vie de l’état métastable et sur les taux de production de ces deux états ne permettent pas, à l’heure actuelle, de déterminer si une telle incinération est possible dans des flux de neutrons réalisables.
S’il est relativement aisé de mesurer les paramètres nucléaires de l’état fondamental, il en est autrement de l’état métastable pour lequel la très courte durée de vie supposée empêche toute mesure classique par activation neutronique. Par ailleurs, des mesures indirectes indiquent qu’il y a 18 fois plus de noyaux produits dans l’état métastable que dans d’état fondamental lors de la capture d’un neutron par l’243Am, ce qui rendrait l’incinération de ce noyau difficile ; d’où l’importance de mesurer directement le temps de vie et le taux de formation de cet isotope fissile mais éphémère.
Figure 2: Spectre de l'243Am irradié mesuré avec Adonis
Ce défi a été relevé grâce à une adaptation au dispositif Mini-Inca, de l’Institut Laue-Langevin (ILL), du système Adonis développé au Detecs. Ce système de traitement du signal pour la spectrométrie gamma, fondé sur des algorithmes très innovants, permet d’améliorer d’un ordre de grandeur le taux d’acquisition du détecteur, par rapport à une chaîne classique d’électronique ; et ce, tout en maintenant une résolution en énergie compatible avec les exigences de la spectroscopie gamma. L’expérience s’est déroulée auprès du réacteur à haut flux de l’ILL. Après une irradiation courte de 30 mn dans un flux de 6•1014 n/cm2/s, l’isotope métastable de l’244Am a pu être identifié (figure 2) dans un bruit de fond important. Nous avons pu suivre sa décroissance au cours du temps. Compte tenu des taux de comptage, le rapport des taux de production de l’état métastable à celui de l’état fondamental, ainsi que la durée de vie de l’état métastable, devraient être déterminés avec une précision de l’ordre de quelques pourcents.
• 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)
