Particularités de l'interaction et de la propagation de neutrons à basse énergie dans des milieux nano-dispersés (l'exemple de la nano-poudre de diamant)

par Aleksandr Nezvanov

Thèse de doctorat en Physique subatomique et astroparticules

Sous la direction de Valery Nesvizhevsky et de Valery Artem'ev.

Soutenue le 29-10-2018

à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université polytechnique de Moscou , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Max von Laue-Paul Langevin (laboratoire) .

Le président du jury était Konstantin Protassov.

Le jury était composé de Ken Andersen, Alexei Bosak, Benoît Clément.

Les rapporteurs étaient Marc Dubois, Alexeï Voronin.


  • Résumé

    Le but de cette étude est de développer un modèle quantitatif pour l’interaction et la propagation des neutrons de faible énergie dans les milieux nanodispersés (en utilisant la nanopoudre de diamant comme exemple), qui prend en compte l’influence de la densité moyenne nanodispersée sur les processus de la propagation et la diffusion des neutrons à basse énergie, et les informations sur la structure d'une nanopoudre de diamant.L'urgence du problème à résoudre est due au manque d'informations sur la complétude des concepts des systèmes étudiés, sur les mécanismes d'interaction des neutrons de basse énergie avec les matériaux nanostructurés, sur les caractéristiques des propriétés de la structure des nanodispersés. médias, sur l'évolution des systèmes nanodispersés sous l'influence des rayonnements. Le développement du modèle quantitatif proposé est nécessaire pour l'évaluation qualitative et l'interprétation de diverses données expérimentales. L’élaboration d’un modèle quantitatif et de méthodes de calcul quantitatif de l’interaction et de la propagation des neutrons de faible énergie dans les milieux nanodispersés permettra d’interpréter des données expérimentales indépendantes dans le cadre de concepts unifiés et de réduire considérablement la quantité de paramètres empiriques. interprétation quantitative des résultats expérimentaux.L'auteur recommande d'utiliser le modèle quantitatif proposé et l'ensemble de programmes informatiques conçus pour les estimations qualitatives et quantitatives et l'interprétation de divers résultats expérimentaux, ainsi que pour des calculs quantitatifs préliminaires au stade de la planification de l'expérience.La thèse consiste en une introduction, quatre chapitres, une bibliographie et des conclusions.Le premier chapitre présente les résultats de la recherche sur le niveau de développement technique mondial actuel des nanotechnologies nucléaires. Il est à noter qu’à l’heure actuelle, les nanotechnologies nucléaires sont au stade de la recherche universitaire fondamentale et exploratoire, principalement axée sur l’extraction et l’accumulation de nouvelles connaissances.Le deuxième chapitre propose un modèle pour la propagation des neutrons à faible énergie dans un milieu nanodispersé. Une expression est obtenue pour l'équation de transfert de neutrons dans la forme de diffusion, c'est-à-dire l'équation de type Boltzmann. Les conditions aux limites sont analysées et établies pour l'équation du transfert de neutrons dans l'approximation de diffusion, en tenant compte des processus cohérents et incohérents d'interaction des neutrons avec le matériau. La méthode variationnelle permet une solution analytique de l'équation de transfert pour la fonction de distribution des neutrons dans l'approximation de la diffusion des neutrons aux petits angles par les nanoparticules dans la poudre. Les données expérimentales permettent de développer un modèle de nanopoudre de diamant à utiliser dans les calculs.Le troisième chapitre décrit la conception d'un algorithme de simulation numérique du transfert de neutrons dans une nanopoudre de diamant. Les calculs de modèle de la section efficace pour la diffusion élastique cohérente des neutrons par les nanoparticules sphériques sont effectués: 1) calculs quantiques précis par la méthode de la fonction de phase; 2) calculs dans l'approximation de Born. À titre de référence, nous décrivons brièvement des méthodes standard pour simuler des valeurs aléatoires d'angles de diffusion et des transformations de systèmes de coordonnées dans une méthode de Monte Carlo par ordinateur pour simuler la propagation des neutrons en nanopoudre.Le quatrième chapitre présente les résultats des calculs numériques effectués après le modèle quantitatif suggéré. Les résultats des calculs numériques sont analysés et comparés avec des données expérimentales. La comparaison montre un accord satisfaisant de calculs avec les données d'expériences indépendantes.

  • Titre traduit

    Peculiarities of interaction and propagation of low-energy neutrons in nano-dispersed media (the example of diamond nano-powder)


  • Résumé

    The aim of the present study is to develop a quantitative model for the interaction and propagation of low-energy neutrons in nanodispersed media (using the diamond nanopowder as an example), which takes into account the influence of the nanodispersed medium density on the processes of propagation and scattering of low-energy neutrons, and the information about the structure of a diamond nanopowder.The urgency of the problem being solved is due to the lack of information about the completeness of the concepts of the systems under study, about the mechanisms of interaction of low energy neutrons with nanostructured materials, about the features of the properties of the structure of nanodispersed media, about the evolution of nanodispersed systems under the influence of radiation. The development of the proposed quantitative model is necessary for qualitative evaluation and interpretation of various experimental data. The development of a quantitative model and methods for the quantitative calculation of the interaction and propagation of low-energy neutrons in nanodispersed media will allow to interpret independent experimental data within the frames of unified concepts, and will significantly reduce the amount of empirical parameters in the quantitative interpretation of experimental results.The author recommends using the proposed quantitative model and the designed set of computer programs for qualitative and quantitative estimates and interpretation of various experimental results, and for preliminary quantitative calculations at the stage of experiment planning.The thesis consists of an introduction, four chapters, a bibliography and conclusions.The first chapter presents the results of the research into the level of current global technical development of nuclear nanotechnologies. It is noted that at present, the nuclear nanotechnologies are at the stage of fundamental and exploratory academic research, predominantly focused on the extraction and accumulation of new knowledge.The second chapter suggests a model for the propagation of low-energy neutrons in a nanodispersed medium. An expression is obtained for the neutron transfer equation in the diffusion form, i.e. Boltzmann type equation. The boundary conditions are analyzed and established for the neutron transfer equation in the diffusion approximation, accounting for coherent and incoherent processes of neutron interaction with the material. The variational method enables an analytical solution of the transfer equation for the neutron distribution function in the approximation of small angle neutron scattering by nanoparticles in the powder. The experimental data allows to develop a model of diamond nanopowder, which is to be used in calculations.The third chapter describes the design of an algorithm for numerical simulation of neutron transfer in a diamond nanopowder. Model calculations of the cross section for elastic coherent scattering of neutrons by spherical nanoparticles are carried out: 1) precise quantum-mechanical calculations by the phase-function method; 2) calculations in the Born approximation. For reference, we briefly describe standard methods for simulating random values of scattering angles and transformations of coordinate systems in computer Monte Carlo method simulation of neutron propagation in nanopowder.The fourth chapter presents the results of numerical calculations carried out after the suggested quantitative model. The results of numerical calculations are analyzed and compared with experimental data. The comparison shows a satisfactory agreement of calculations with the data of independent experiments.


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