Les neutrinos sont des particules élémentaires qui ne sont sensibles qu’à l’interaction faible, une propriété qui en fait des messagers très utiles ! Véritables passe-murailles, ils traversent la matière sans être altérés, gardant intactes les informations des phénomènes qui les ont engendrés. Qu’ils soient émis par les réactions de fusion nucléaire au cœur du Soleil, offrant un regard sur le fonctionnement interne des étoiles, ou qu’ils précèdent la lumière des supernovæ, révélant les ultimes soubresauts d’un astre en fin de vie, les neutrinos sont des messagers uniques, autant fiables qu’insaisissables. Sur Terre, les antineutrinos émis dans les réactions de fission en chaine d’un réacteur nucléaire peuvent nous indiquer en temps réel l’état opérationnel voire même la composition du cœur. C’est dans ce domaine que l’expérience Double Chooz vient de franchir une étape importante. En réanalysant les données prises en 2017, l’expérience a, pour la première fois, pu capter les flux résiduels d’antineutrinos émis par un cœur de réacteur lors de ses périodes d’arrêt et ce pendant 25 jours cumulés. Cette avancée, issue d’une étude menée par les physiciens de l’Irfu et publiée fin 2025 [1], confirme une fois de plus l’intérêt du neutrino pour ce type d’applications sociétales.
Détection d’antineutrinos pour le suivi des réacteurs
Le suivi d’un réacteur nucléaire via la mesure de son flux d’antineutrinos a été envisagé dès la fin des années 1970 [2]. Cette approche non intrusive, ne nécessitant aucun accès à l’enceinte du réacteur, repose sur un détecteur placé à proximité capable de vérifier son fonctionnement de manière totalement indépendante. Dans un réacteur nucléaire, les antineutrinos sont majoritairement produits lors des désintégrations bêta des fragments issus des réactions de fission en chaîne de noyaux d’uranium et de plutonium. En moyenne, chaque fission libère environ 6 antineutrinos. Au premier ordre, le flux d’antineutrinos émis est donc directement proportionnel au taux de fission dans le cœur et donc à la puissance thermique du réacteur. À un niveau plus fin, ce flux dépend également de la composition isotopique du combustible, et en particulier de sa teneur en plutonium. Ces caractéristiques ouvrent ainsi la voie à des applications avancées, comme le suivi en temps réel de l’évolution du combustible et la détection d’anomalies. Elles peuvent contribuer aux inspections de l’Agence Internationale de l’Énergie Atomique (AIEA) chargée de faire respecter le traité de non-prolifération des armes atomiques, comme de suivre et vérifier l’élimination de stocks de plutonium par l’industrie électronucléaire.
Deux expériences pilotes, SONGS [3] et Nucifer [4], ont déjà validé cette approche en exploitant la réaction de désintégration bêta inverse (IBD) pour détecter les antineutrinos de réacteur. Le démonstrateur Nucifer, conçu par l’Irfu en collaboration avec la DES et la DAM, ainsi qu’avec le CNRS/IN2P3 et l’Institut Max-Planck d’Heidelberg, illustre cette avancée avec un détecteur à liquide scintillant particulièrement compact et simple, ayant fonctionné de manière autonome sur le réacteur de recherche Osiris entre 2012 et 2015. Ses performances, maintenues sur plusieurs cycles de fonctionnement malgré un environnement particulièrement bruyant, ont démontré sa capacité à assurer un suivi opérationnel précis du réacteur et à certifier la faible masse en plutonium contenu dans le cœur. De nombreux efforts de R&D visent aujourd’hui à perfectionner cette approche. L’objectif est de développer des détecteurs innovants, compacts et mobiles, capables d’opérer en surface tout en conservant une sensibilité optimale. Ces avancées pourraient à terme permettre une standardisation de la méthode et son adoption pour des missions de surveillance et de vérification.
Première détection des flux résiduels émis par du combustible usé
Lorsqu’un réacteur nucléaire est mis à l’arrêt, par exemple pour des opérations de maintenance ou de rechargement, les réactions de fission en chaîne dans le combustible cessent presque instantanément. Cependant, les produits de fission accumulés pendant son fonctionnement continuent d’émettre un flux résiduel d’antineutrinos, qui décroît progressivement au fil du temps. Cette diminution suit la désintégration successive des isotopes, d’abord ceux à courte durée de vie, puis ceux à plus longue période radioactive. La Figure 2 montre que l’intensité de ce flux diminue rapidement après l’arrêt : elle est réduite d’un facteur 10 après environ 10 minutes, d’un facteur 100 après 15 heures, et d’un facteur 1000 après deux ans et demi. Parallèlement, l’énergie moyenne des antineutrinos émis suit une décroissance similaire. Cette double caractéristique, à la fois temporelle et énergétique, constitue une signature unique qui peut être exploitée pour surveiller les réacteurs après leur arrêt et contrôler l’état de leur combustible usé.
* Le taux de combustion d’un assemblage (ou burnup en anglais) mesure la fraction de combustible nucléaire qui est consommée pour produire de l’énergie. Elle se mesure en gigawatt jour par tonne (GWd/t) de métaux lourds (typiquement l’uranium et le plutonium). Dans un réacteur à eau pressurisée, le combustible du cœur est généralement renouvelé par tiers. Ainsi, chaque année, environ un tiers du combustible, ayant atteint un taux de combustion d’environ 45 GWd/t, est retiré et remplacé par du combustible neuf.
L’expérience Double Chooz, menée jusqu’en 2018 pour mesurer précisément le paramètre θ13 d’oscillation des neutrinos [5] et démantelée depuis, vient récemment de faire une avancée majeure en ce sens. En analysant un ensemble de données accumulées sur environ 25 jours en 2017, lorsque les deux réacteurs de la centrale de Chooz étaient à l’arrêt, la collaboration a identifié un excès d’événements au-dessus du bruit de fond avec une significativité statistique de 5.9σ, c’est-à-dire un excès d’événement qui a une probabilité d’environ 1 sur 500 millions d’être dû à une fluctuation statistique. Cet excès, correspondant à un taux de 6,2 ± 1,1 candidats IBD par jour dans le détecteur proche, présente des énergies reconstruites comprises entre 1.8 MeV (seuil de la réaction IBD) et 3.5 MeV. Comme le montre la Figure 3 à droite, c’est précisément cette signature en énergie qui indique que le détecteur proche a mesuré les flux d’antineutrinos résiduels émis par les deux tranches à l’arrêt. À titre de comparaison, lorsque le réacteur est en fonctionnement, le spectre en énergie s’étend au-delà de 8 MeV, avec un pic à 3.5 MeV. Après l’arrêt, ce spectre se contracte rapidement vers les basses énergies, reflétant la disparition progressive des isotopes à courte durée de vie. Par ailleurs, des simulations avancées de l’irradiation du combustible, réalisées à l’aide des codes APOLLO [6] et DARWIN [7] (développés à la DES), couplées aux spectres d’antineutrinos émis par chaque produit de fission (calculés avec la récente mise à jour du code BESTIOLE [8]), ont révélé une contribution non négligeable du combustible usé entreposé dans les piscines de refroidissement (voir Figure 3, à gauche), en plus de celle du combustible irradié encore présent dans les cœurs. Ces calculs prédisent une émission résiduelle totale de 5,1 ± 0,5 antineutrinos par jour pendant les 25 jours d’arrêt des réacteurs, en excellent accord avec les mesures expérimentales. Ces résultats valident ainsi la première détection des flux résiduels d’antineutrinos issus de combustible usé.
*L’énergie visible d’un événement IBD est reliée à l’énergie de l’antineutrino incident par la relation Ev = Evis + 0,8 MeV.
Perspectives
Ce résultat majeur souligne tout l’intérêt du déploiement de détecteurs d’antineutrinos à proximité des réacteurs nucléaires. De tels dispositifs permettraient non seulement d’effectuer un suivi opérationnel en temps réel du cœur du réacteur mais aussi une surveillance fiable des opérations de déchargement et de rechargement du combustible en période d’arrêt. En analysant à distance et sans intrusion le flux d’antineutrinos émis, il serait possible de garantir la traçabilité du combustible irradié, améliorant ainsi la sûreté et la transparence des installations. Par ailleurs, cette technique pourrait être étendue au suivi du stockage de longue durée de déchets nucléaires, notamment ceux classés à haute et moyenne activité et à vie longue [9]. Elle fournirait une méthode complémentaire pour vérifier l’intégrité et le contenu des colis de déchets, même en cas de défaillance des systèmes de surveillance classiques. Cette approche non intrusive contribuerait à renforcer la sécurité des sites de stockage sur le long terme.
À plus long terme, la détection cryogénique des antineutrinos de réacteur, basée sur la diffusion cohérente des neutrinos sur noyaux, représente une autre piste particulièrement prometteuse pour ce type d’applications. Actuellement étudiée dans le cadre de l’expérience NUCLEUS à l’Irfu, cette méthode pourrait permettre de réduire considérablement la taille des détecteurs tout en abaissant leur seuil de détection en-dessous de celui de la réaction IBD (1.8 MeV). Une telle innovation permettrait de surveiller en temps réel la production de plutonium dans le cœur des réacteurs. En suivant précisément ces flux, il deviendrait possible de garantir que le réacteur ne fonctionne pas en mode surgénérateur, c’est-à-dire qu’il ne produit pas plus de plutonium qu’il n’en consomme. Cette capacité offrirait un outil puissant pour vérifier l’absence de cibles ou de configurations dédiées à la surgénération, renforçant ainsi les mécanismes de contrôle déjà existants.
Références
[1] T. Abrahao et al., “First Measurement of Neutrino Emissions from Spent Nuclear Fuel by the Double Chooz Experiment”, arXiv: 2510.04869 [hep-ex] (2025)
[2] A. A. Borovoi and L. A. Mikaélyan, “Possibilities of the practical use of neutrinos,” Soviet Atomic Energy, 44, 589 (1978)
[3] N. S. Bowden et al., “Observation of the isotopic evolution of pressurized water reactor fuel using an antineutrino detector,” Journal of Applied Physics, 105, 6, 064 902 (2009)
[4] G. Boireau et al., “Online monitoring of the Osiris reactor with the Nucifer neutrino detector,” Phys. Rev. D, 93, 112 006 (2016)
[5] H. de Kerret et al., “Double Chooz θ13 measurement via total neutron capture detection,” Nature Physics, 16, 5, 558 (2020)
[6] R. Sanchez, et al., « APOLLO2: a user oriented, portable, modular code for multigroup transport assembly calculations », Nuclear Science and Engineering, 100, 352 (1988)
[7] A. Tsilanizara, et al., « DARWIN : An Evolution Code System for a Large Range Application », Journal of nuclear Science and Technology, Supplement 1, 845 (2000)
[8] L. Périssé et al., “Comprehensive revision of the summation method for the prediction of reactor antineutrino fluxes and spectra,” Phys. Rev. C, 108, 055 501 (2023)
[9] V. Brdar et al., “Antineutrino Monitoring of Spent Nuclear Fuel”, Phys. Rev. App., 8, 054050 (2017)
Contacts
Matthieu VIVIER (Irfu/DPhP)
David LHUILLIER (Irfu/DPhN)