Mesure de sections efficaces de réaction (n,xn) par spéctroscopie γ prompte auprès d'un faisceau à très haut flux instantané

Measurement of (n,xn) reaction cross-sections using prompt gamma spectroscopy at neutron beams with high instantaneous flux

• Auteur / Autrice : Strahinja Lukić
• Direction : Gérard Rudolf, Stevan Jokić
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique nucléaire
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Strasbourg 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plomb

Spectroscopie gamma de capture des neutrons

Sections efficaces (physique nucléaire)

Déchets radioactifs

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire se situe dans le contexte du programme de nouvelles mesures de sections efficaces de réactions induites par neutron. Ce programme est motivé par les perspectives offertes depuis peu de temps par les projets innovants de traitement des déchets nucléaires et de production d’énergie. Cette motivation est présentée dans l’introduction. Il existe des bases de données diverses pour les sections efficaces de toutes les réactions sur tous les matériaux présents dans les réacteurs actuels. Pour ces réactions, ces bases reposent sur des données expérimentales évaluées et diffèrent donc peu entre elles. Par contre, il y a un manque évident de données dans trois cas :pour les isotopes très radioactifs qui constituent les déchets des réacteurs en fonctionnement:pour des réactions qui n’interviennent qu’à des énergies de plusieurs MeV, et ont donc peu d’importance pour les réacteurs à spectre thermique:pour des réactions (n,xn) parce qu’il n’existe aucune méthode applicable à tous les isotopesDans certains cas, il n’existe pas de données du tout : c’est le cas par exemple pour la réaction 233U(n,2n). Cette réaction est pourtant très importante dans le cycle du Thorium, puisque 233U est l’élément fissile. Elle détermine en grande partie la radiotoxicité de ce cycle. Lorsqu’il n’existe aucune donnée mesurée, les bases de données font appel à des modèles, et diffèrent alors fortement entre elles. Pour effectuer des mesures de section efficace lorsque la cible est très active, il est indispensable d’avoir un faisceau à très haut flux instantané mais pulsé à basse fréquence. C’est dans ce but que le CERN a développé le faisceau de neutrons baptisé n_TOF. Lorsque le faisceau n’est pas monoénergétique mais « blanc » comme celui de n_TOF, les méthodes utilisées jusqu’ici pour mesurer les sections efficaces (n,xn) sont inapplicables. La seule méthode possible est la spectroscopie γ prompte. Cependant, cette méthode est très difficile à adapter à une intensité instantanée très élevée, du moins avec la technique utilisée jusqu’ici. Outre la pixellisation, la solution réside dans une diminution du temps mort entre deux détections de rayon γ. Ce mémoire présente la solution qui a été mise au point à l’IReS et utilisée pour la mesure des sections efficaces de la diffusion inélastique et des réactions (n,2n) dans le plomb naturel auprès de l’accélérateur GELINA (IRMM, Geel). [. . . ]

The work of this thesis is situated in the context of GEDEON program of new neutron-induced reactions cross-section measurements. This program is motivated by the perspectives recently opened by innovating projects of nuclear waste treatment and energy production. This motivation is presented in the introduction. Different databases exist for all reactions on all the materials present in currently operating reactors. For those reactions, the databases rely on experimental data and, consequently, the differences among them are small. On the other hand, there is a shortage of experimental data in the following three cases:For very active isotopes that constitute the waste of currently operating reactors:For reactions that occur only above several MeV of neutron energy and, therefore, have little importance for thermal spectrum reactors:For (n,xn) reactions because there is no universal method applicable to all isotopes. In some cases, there are no data at all. For example, this is the case of 233U(n,2n) reaction. This reaction is, however, very important for the Thorium cycle because 233U is the fissile isotope. This reaction determines the radiotoxicity of the cycle. Where there are no experimental data, the databases rely on theoretical models and differ significantly among themselves. In order to perform cross-section measurements with very active samples, it is indispensable to dispose of a neutron beam facility with very high instantaneous flux, but pulsed at a low frequency. It is for this purpose that n_TOF neutron beam was developed at CERN. When the beam is not monoenergetic but “white” as the one of n_TOF, the only applicable method is prompt γ-spectroscopy. However, this method is a very difficult one to adapt to a high instantaneous beam flux, at least with conventional techniques. Besides detector segmentation, a good solution also requires a reduction of the dead-time per pulse. This thesis presents a technique that was developed in IReS and used to measure inelastic and (n,2n) reaction cross-sections on natural lead at GELINA facility in IRMM Geel, Belgium (a EURATOM research center in Geel, Belgium). [. . . ]