Effets de diffusion multiples sur la dynamique et le rayonnement des particules chargées rapide dans les cristaux. Les transitoires dans le réacteur à ondes de combustion nucléaire.

par Oleksiy Fomin

Projet de thèse en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Achille Stocchi.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec V.N. Karazin National University of Kharkiv , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire (laboratoire) et de université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 10-07-2015 .


  • Résumé

    Les effets cohérents dans l'interaction des particules à haute énergie avec les cristaux ouvrent de nouvelles opportunités d'accelaration et détection de particules. Les champs électromagnétiques efficaces presents daus les cristaux qui se présentent dans ce cas peuvent dépasser mille fois les champs qui sont maintenant réalisables dans les installations expérimentales. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude théorique des effets de diffusion multiples sur la dynamique et le rayonnement des particules chargées de haute énergie dans les cristaux. L'un des objectifs de cette étude est de trouver des conditions optimales pour effectuer la mesure du moment magnétique anormal du baryon Lambda+c au LHC. En raison de la courte durée de vie de cette particule, le seul moyen de fournir une telle mesure est d'utiliser un cristal courbé, qui peut imiter le champ magnétique de l'ordre de milliers de Tesla. L'optimisation des paramètres du set up expérimental a été réalisée sur la base de la simulation par ordinateur du passage Lambda+c à travers un cristal courbé à l'aide du modèle de collisions binaires, en tenant compte de la diffusion incohérente sur les vibrations thermiques des atomes des noeuds en réseau et de la diffusion sur un sous-système électronique d'un cristal. Les résultats de la recherche menée dans la thèse démontre la possibilité d'effectuer une telle expérience au LHC et sont devenus la base de la proposition correspondante. Les effets de diffusion multiple des électrons ultra relativistes et le rayonnement des positons dans les cristaux alignés sont également considérés dans la première partie de la thèse. Il est démontré que, en raison des multiples effets de diffusion, le régime non dipolaire du rayonnement a lieu dans un cristal mince dans une certaine région du spectre d'émission. Il est également démontré que la distribution angulaire spectrale et les caractéristiques de polarisation du rayonnement diffèrent essentiellement des résultats de la théorie de Bethe-Heitler. Les conditions d'observation expérimentale de ces effets sont présentées. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l'étude des processus transitoires des réacteurs rapides fonctionnant dans un régime d'onde de combustion nucléaire auto-entretenue (OCN). C'est un nouveau concept de réacteurs de fission nucléaire avec la soi-disant «sécurité intrinsèque», dans laquelle le développement d'une réaction nucléaire à chaîne incontrôlable est impossible en raison des principes physiques du fonctionnement du réacteur. Les concepts prometteurs du réacteur OCN dans le cas de sa mise en œuvre permettent d'utiliser l'uranium appauvri et fournit le traitement des déchets radioactifs à longue durée de vie. L'étude de la stabilité du régime OCN et des processus transitoires dans ce réacteur fait l'objet de la deuxième partie de la thèse. Cette étude est basée sur la résolution numérique de l'équation de diffusion non linéaire non stationnaire du transport de neutrons avec un ensemble d'équations de combustion pour les composants du carburant et les équations de la cinétique nucléaire pour les noyaux précurseurs des neutrons retardés, en utilisant une approche "effective multigroup" . Le modèle du réacteur cylindrique homogène avec le combustible métallique des cycles de carburant U-Pu, Th-U et mixte Th-U-Pu est considéré dans le cadre du concept de flambage. À la suite de ces études, l'existence du mode OCN dans le cas du combustible mixte Th-U et de ses avantages essentiels est démontrée; l'analyse détaillée d'un type spécial de rétroaction négative inhérente au régime OCN et sous-jacente à la "sécurité intrinsèque" d'un tel réacteur est effectuée; les scénarios d'un démarrage en douceur, d'un arrêt forcé et d'un redémarrage ultérieur du réacteur OCN sont développés. Une stabilité notable du régime de OCN relatif aux perturbations du flux de neutrons dans le système et aux irrégularités de la composition du carburant a été démontrée.

  • Titre traduit

    Multiple scattering effects on the dynamics and radiation of fast charged particles in crystals. Transients in the nuclear burning wave reactor.


  • Résumé

    The coherent effects in the high energy particle interaction with crystals open up new opportunities for accelerating and detecting techniques. The effective electromagnetic fields that arise in this case can exceed a thousand times the fields that are now attainable at experimental installations. The first part of the thesis is devoted to the theoretical study of the multiple scattering effects on the dynamics and radiation of high energy charged particles in crystals. One of the goals of this study is to find optimal conditions to carry out the measurement of the anomalous magnetic moment of the Lambda+c at the LHC. Due to the short lifetime of this particle the only way to provide such a measurement is to use a bent crystal, which can imitate the magnetic field of order of thousand Tesla. The optimization of the parameters for an experimental setup was carried out on the basis of computer simulation of the Lambda+c passage through a bent crystal using the binary collisions model, taking into account incoherent scattering on thermal vibrations of atoms at lattice nodes, and scattering on an electronic subsystem of a crystal. The results of the research conducted in the thesis give an optimistic forecast for the possibility of carrying out such an experiment at the LHC and became the basis of the corresponding proposal. The multiple scattering effects of ultra relativistic electrons and positrons radiation in aligned crystals are also considered in the first part of the thesis. This study is performed in the framework of classical electrodynamics approach for describing the relativistic particle radiation and the computer simulation of fast charged particles passing though a crystal using the above-mentioned model. It is shown, that due to the multiple scattering effects, the non-dipole regime of radiation takes place in a thin crystal in a certain region of emission spectrum. It is also shown that the spectral-angular distribution and the polarization characteristics of radiation essentially differ from the results of the Bethe-Heitler theory. The conditions for the experimental observation of these effects are presented. The second part of the thesis is devoted to the study of transient processes in advanced fast reactor-breeder working in a self-sustained nuclear burning wave (NBW) regime. It is a new concept of nuclear fission reactors with the so-called "intrinsic safety", in which the development of uncontrolled chain nuclear reaction is impossible due to the physical principles of reactor operation. The promising concepts of NBW reactor in the case of its implementation allows to utilize the depleted Uranium and provides the treatment of long-lived radioactive waste. The study of stability of the NBW regime and transient processes in such reactor is the subject of the second part of the thesis. This study is based on numerical solving the non-stationary non-linear diffusion equation of neutron transport together with a set of the burn-up equations for fuel components and the equations of nuclear kinetics for precursor nuclei of delayed neutrons using effective multi-group approach. The model of cylindrical homogenous reactor with metallic fuel of U-Pu, Th-U and mixed Th-U-Pu fuel cycles is considered in the framework of the buckling concept. As a result of these studies the existence of the NBW mode in the case of mixed Th-U fuel and its essential advantages are demonstrated; the detailed analysis of a special kind of the negative reactivity feedback that is inherent to the NBW regime and underlies the "intrinsic safety" of such a reactor is performed; the scenarios of a smooth startup, forced shutdown and subsequent restart of the NBW reactor are developed. A notable stability of the NBW regime relative to disturbances of the neutron flux in the system and to irregularities of the fuel composition has been demonstrated in the thesis.