Approche expérimentale et phénoménologique des rendements de la fission induite par neutron thermique du 239Pu et du 241Pu

Experimental and phenomenological approach of the neutron induced fission yields for 239Pu and 241Pu

• Auteur / Autrice : Sylvain Julien-Laferrière
• Direction : Grégoire Kessedjian, Olivier Sérot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 05/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Liatard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Dessagne, Abdelaziz Chebboubi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephan Oberstedt, Laurent Tassan-Got

Mots clés

Mots clés contrôlés

Produits de fission

Fission nucléaire

Mots clés libres

Rendement de fission

Lohengrin

Plutonium

Fifrelin

Fission yield

Lohengrin

Plutonium

Fifrelin

Résumé

La fission nucléaire, bien que connue depuis 80 ans, reste un défi théorique. La complexité et la multiplicité des interactions au sein d’un noyau fissionnant rend la modélisation du phénomène de fission délicate. Les modèles de fission nucléaire peinent à reproduire les observables. Parmi ces observables, les rendements de fissions sont pourtant des ingrédients clés pour la physique des réacteurs. S’ils ne peuvent être prédis efficacement, il est nécessaire de les mesurer.Les bibliothèques de données nucléaires évaluées, qui condensent la connaissance actuelle de ces rendements de fission, présentent pourtant des incertitudes importantes, ainsi que des divergences.Depuis quelques années, une collaboration entre le CEA, le CNRS et l’Institut Laue Langevin (ILL) vise à mesurer avec précision les rendements de la fission induite par neutron thermique pour des actinides d’importance pour les cycles Uranium-Plutonium et Thorium-Uranium, afin de compléter les connaissances actuelles et également fournir des données de référence pour le test de modèles.En particulier, au cours de cette thèse, des données expérimentales, acquises sur le spectromètre de masse LOHENGRIN à l’ILL de Grenoble (France), ont été analysées pour le 239Pu(nth,f) et le 241Pu(nth,f). Deux types de rendements ont été déterminées : des rendements en masse, à l’aide d’une chambre d’ionisation, et des rendements isotopiques, par spectrométrie γ avec des détecteurs Ge.Grâce à un protocole expérimental rigoureux testant la reproductibilité des observables et une méthode d’analyse innovante, adaptée en particulier à l’estimation des covariances et à leurs propagations, les rendements en masse obtenus présentent des incertitudes réduites et une matrice de covariance expérimentale complète. Celle-ci est essentielle pour la compréhension et l’utilisation des données mesurées.Les rendements isotopiques obtenus sont fortement dépendants des données de structure nucléaire, et présentent de facto des incertitudes importantes. L’amélioration future des données de structure permettra, grâce aux outils d’analyse développés, de réduire l’incertitude des rendements isotopiques mesurés.D’autres observables d’intérêts ont pu être extraites des mesures, en particulier la distribution de l’énergie cinétique moyenne des produits de fission en fonction de leur masse, ainsi que la polarisation de charge pour une partie du pic lourd. Ces données sont complémentaires aux rendements et présentent un intérêt pour les modèles et les futures évaluations.

Nuclear fission, although known for 80 years, remains a theoretical challenge. The complexity and multiplicity of interactions within a splitting nucleus make the modelling of the fission phenomenon delicate. Nuclear fission models struggle to replicate observables. Among these observables, however, fission yields are key ingredients for reactor physics. If they cannot be predicted effectively, it is necessary to measure them.The evaluated nuclear data libraries, which condense the current knowledge of these fission yields, nevertheless present significant uncertainties, as well as discrepancies.For several years, a collaboration between the CEA, the CNRS and the Laue Langevin Institute (ILL) has aimed at accurately measuring the yields of thermal neutron induced fission for actinides of importance for the Uranium-Plutonium and Thorium-Uranium cycles, in order to complete current knowledge and also provide reference data for model testing.In particular, during this thesis, experimental data acquired on the LOHENGRIN mass spectrometer at the ILL in Grenoble (France) were analysed for 239Pu(nth,f) and 241Pu(nth,f). Two types of yields were determined: mass yields, using an ionization chamber, and isotopic yields, by spectrometry γ with Ge.Thanks to a rigorous experimental protocol testing the reproducibility of the observables and an innovative analytical method, adapted in particular to the estimation of covariances and their propagation, the mass yields obtained present reduced uncertainties and a complete experimental covariance matrix. This is essential for understanding and using the measured data.The isotopic yields obtained are highly dependent on the nuclear structure data, and de facto present significant uncertainties. The future improvement of the nuclear structure data will allow, thanks to the analysis tools developed, to reduce the uncertainty of the isotopic yields measured.Other observables of interest have been extracted from the measurements, in particular the average kinetic energy distribution of the fission products as a function of their mass, as well as the charge polarization for part of the heavy peak. These data are complementary to fission yields and are of interest for models and future evaluations.