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Mesure de sections efficaces (n,xnγ)
d’intérêt pour le cycle
électronucléaire
Rencontres Jeunes Chercheurs 2014, 17 – 21 novembre, Strasbourg
Olivier Capdevielle – groupe GRACE (IPHC)
1
Contexte général Réacteurs nucléaires
Données évaluées
Réactions (n,xn) – généralités
Mesures (n, xn γ) Dispositif expérimental
Analyse de données
Conclusion et perspectives
Plan
RJC 2014 - 17 au 21 novembre, Strasbourg Olivier Capdevielle
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Contexte général
RJC 2014 - 17 au 21 novembre, Strasbourg Olivier Capdevielle
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Actuellement : Réacteurs à eau pressurisée Combustible : 235U (~ 0,7 % de l’uranium naturel)
Fission induite par neutrons thermiques (En < 0,2 eV)
Stocks mondiaux : environ 100 ans
Nouveaux cycles de combustible
Cycle 232Th/233U
Cycle 238U/239Pu
Cycles régénérateurs ou surgénérateurs
Stocks présents en grande quantité : plusieurs dizaines de milliers d’années
Réacteurs de Génération IV
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Contraintes
Sécurité et fiabilité
Réduction des déchets
Protection contre les agressions extérieures
Réduction des coûts
Réduction de l’utilisation des ressources naturelles
fertile fissile
Réactions dans une centrale
Réactions dans un réacteur nucléaire :
Radioactivité
Fission
Diffusions élastiques et inélastiques
Production de nombreux isotopes (actinides par capture, produits de fission…)
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Demandes de mesures de précision (< 10 %) :
NEA Nuclear Data High Priority Request List
Nombreux nucléides
Large gamme en énergie
Différentes réactions
Données évaluées
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Données expérimentale
s
Contraintes expérimental
es
Modèles théoriques
Données évaluées(ex : ENDF, JEFF,
JENDL…)
Simulation numérique du réacteur
Études de sensibilité(puissance
thermique, keff…)
Phénoménologiqueou
Microscopique
Données évaluées : exemple
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État de l’art :
40 mesures dans EXFOR entre 1956 et 2009 et 8 mesures intégrales
Importantes différences entre les données expérimentales et les données évaluées
Incertitudes : ~20% sur les sections efficaces 238U(n,n’)
Précision requise dans la High Priority Request List de la NEA : 5 %
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Dans un réacteur, les réactions (n, xn) influent sur :
Mécanismes de perte d’énergie
Multiplication des neutrons
Production d’isotopes radioactifs
Méthodes de mesure :
Mesure directe des neutrons secondaires
Activation
Spectroscopie gamma prompte
Cette méthode permet la mesure de la section efficace (n,xn γ).
La raie γ signe la réaction
Couplage possible à des installations temps de vol
Possibilité d’utiliser des faisceaux « blancs »
Réactions (n,xn) - généralités
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Niveau fondamental
Niveaux excités
Transition non mesurée
𝑌 ∗𝑍𝐴
𝜎 (𝑛 , 𝑥𝑛𝛾 )𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟 é 𝑒 𝜎 (𝑛 , 𝑥𝑛)𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒Modèles théoriques
Calcul de la section efficace totale :
Paramètres structure
Réactions (n,xn) - généralités
Dispositif expérimental Installation temps de vol (GELINA – IRMM)
Faisceau de neutrons :
Énergies : ~ eV à ~25 MeV
Faisceau pulsé à 800 Hz
Flux total : 3,4.1013 neutrons.s-1
Mesures à 30 m, flux : 3,05.106 neutrons.s-1
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électrons Cible U
neutrons Zone de vol 30 m
GRAPhEMEGeRmanium array for Actinides PrEcise MEasurements
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1 chambre à fission (dépôt 235U)
+4 diodes HPGe
planaires (Ø 30 et 50 mm, épaisseur 20 et
30 mm)
Blindage : cuivre,
cadmium, plomb
Faisceau neutrons
Faisceau neutrons
Acquisition digitale : TNT2 (IPHC).Enregistrement :- Temps de
l’interaction- Énergie γ
déposée
Analyse de données : mesures par temps de vol
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Détecteur
Production des neutrons et du γ flash
Distance : 30 m
Mesures à 30 m, résolution en énergie (neutrons) :
À 20 MeV : 0,86 MeV
À 100 keV : 0,3 keV
Temps de vol
En
13 μs
200 keV
2 μs
1 MeV
0,8 μs
5 MeV
0,4 μs
25 MeV
Fréquence de répétition : 800 Hz
Analyse de données : cible de zirconium naturel
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γ flash
Radioactivité(137Cs)
90Zr(n,n’)
92Zr(n,n’)
(e+,e-)
Analyse de données : cible de zirconium naturel
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Spectre (n, 2n) - 6 à 20 MeV
Spectre (n, n’) – (~)0 à 6 MeV
91Zr
(n,n
’)
93Zr
(n,n
’)89Zr
(n,n
’)
90Zr
(n,n
’)
##
Analyse de données : calcul de sections efficaces
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Détecteurs HPGe
Chambre à fission (CF)
Mesures et données constructeur
𝑁 é𝑚𝑖𝑠=𝜎 .𝑁 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡 .𝑁 𝑐𝑖𝑏𝑙𝑒
Section efficace
Prise en compte de la distribution angulaire : la méthode de Gauss.
Détermination expérimentale de : εHPGE, Ncible, εCF .
Précision de ces éléments : ~ 2 %.
Conclusion et perspectives
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Le zirconium est présent dans les alliages des crayons de combustible.
Il est soumis à d’importants rayonnements.
Travaux à venir : analyse des données acquises (cible de zirconium naturel, ~ 1300 h sous faisceau), comparaison avec modèles théoriques (ex : TALYS, EMPIRE), calcul des incertitudes sur les résultats…
État de l’art diffusion inélastique (1955 – 2014) :
90Zr (n, n’)tot:
7 mesures de sections efficaces
91,92,96Zr(n, n’)tot :
pas de données dans EXFOR
Besoins de données nucléaires
90Zr (n, n’)
Remerciements O. Capdevielle, A. Bacquias, Ph. Dessagne, G. Henning,
M. Kerveno
Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, Université de Strasbourg, France
A.J.M. Plompen, F. Belloni, M. Nyman, E. Pirovano, J.C. Drohé, R. Wynants, W. Motta, G. Sibbens, A. Moens, S. Melis
EC/ JRC-IRMM, Geel, Belgique
C. Borcea, A. Negret, A. Olacel, G. Suliman
Nat. Inst. Of Phys. And Nucl. Eng., Bucharest, Roumanie
P. Romain, M. Dupuis, S. Hilaire, B. Morillon
CEA Bruyères-le-chattel
D. Bernard, P. Lecomte, C. de Saint Jean
CEA Cadarache
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Estimation de l’efficacité de d’une diode germanium
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CibleEuropium
Détecteur
Prélim
inaire
Prélim
inaire