Mesure et étude théorique des propriétés de désintégration bêta des produits de fission pour la structure et l'astrophysique nucléaires et les applications

Measurements and Theoretical Study of Beta Decay Properties of Fission Products for Nuclear Structure, Nuclear Astrophysics and Other Applications

• Auteur / Autrice : Arthur Beloeuvre
• Direction : Muriel Fallot, Magali Estienne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Subatomique et des Technologies Associées (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Bertram Blank
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alejandro Algora, Anthea Francesca Fantina, Sophie Péru, Jean-Charles Thomas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertram Blank, Marcella Grasso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs nucléaires

Nucléosynthèse

Produits de fission

Mots clés libres

Radioactivité bêta

Spectroscopie gamma

Détection des électrons

Modèle microscopique

Astrophysique nucléaire

Physique des réacteurs

Beta radioactivity

Gamma spectroscopy

Electron detection

Microscopic model

Nuclear astrophysic

Nuclear reactor physics

Résumé

Les domaines de physique dans lesquels la désintégration bêta des noyaux joue un rôle sont nombreux. Cette thèse s’intéresse à deux d’entre eux : la nucléosynthèse et la physique des réacteurs. Les propriétés radioactives des produits de fission sont des ingrédients essentiels pour le processus de nucléosynthèse de capture rapide de neutrons, appelé le processus r, à l’origine de la moitié des éléments plus lourds que le Fer dans l’univers. Par ailleurs, le processus de désintégration bêta est à l’origine de l’émission des antineutrinos et de la puissance résiduelle des réacteurs nucléaires. Les transitions bêta interdites non-uniques constituent entre un tiers et la moitié des transitions bêta qui entrent dans les calculs des chemins du processus r ou des spectres en énergie des antineutrinos des réacteurs. Leur impact n’a pas encore pu être quantifié à ce jour et nécessite en amont des nouvelles mesures et des développements théoriques des modèles existants. Ce travail de thèse a porté sur la détermination de facteurs de forme de transitions bêta premières interdites de noyaux riches en neutrons par des études théoriques et expérimentales. Sur le plan théorique, les opérateurs de désintégration bêta première interdite avec un modèle microscopique de pnQRPA auto-cohérente avec symétrie axiale utilisant l'interaction de Gogny ont été calculés et inclus au modèle. L’effet de leur prise en compte sur les distributions de force des opérateurs, les alimentations bêta et les demi-vies a été quantifié sur la chaîne isotopique des noyaux de Germanium riches en neutrons de A=75 à 83. L’analyse d’une expérience de Spectroscopie Gamma par Absorption Totale (TAGS) menée auprès du dispositif IGISOL à l’université de Jyväskylä, a conduit à l’obtention de l’alimentation bêta d’un noyau, le 99Zr, contributeur important à la puissance résiduelle des réacteurs et au spectre en énergie des antineutrinos des réacteurs. En outre, l’expérience eShape, menée en 2022 à IGISOL ayant pour but de déterminer la forme des spectres en énergie des électrons issus des transitions bêta premières interdites, a été calibrée pour l’exploitation future des données.

The fields of physics in which the beta decay of nuclei plays a role are numerous. This thesis focuses on two of them: nucleosynthesis and reactor physics. The radioactive properties of fission products are essential ingredients in the process of rapid neutron capture nucleosynthesis, known as the r-process, which is responsible for half of the elements heavier than iron in the universe. The beta decay process is also responsible for the emission of antineutrinos and the decay heat of nuclear reactors. Non-unique forbidden beta transitions account for between a third and a half of the beta transitions used in rprocess path calculations or in the energy spectra of reactor antineutrinos. Their impact has yet to be quantified, and requires new measurements and theoretical developments of existing models. This thesis work focused on the determination of form factors of first forbidden beta transitions of neutron-rich nuclei through theoretical and experimental studies. On the theoretical side, the first forbidden beta decay operators with a microscopic selfconsistent pnQRPA model with axial symmetry using the Gogny interaction were calculated and included in the model. The effect of taking them into account on operator strength distributions, beta feeds and half-lives has been quantified on the isotopic chain of neutron-rich Germanium nuclei from A=75 to 83. Analysis of a Total Absorption Gamma Spectroscopy (TAGS) experiment carried out at the IGISOL device at the University of Jyväskylä, has led to the extraction of the beta feeding of a nucleus, 99Zr, an important contributor to the decay heat of reactors and to the energy spectrum of reactor antineutrinos. In addition, the eShape experiment, carried out at IGISOL in 2022 to determine the shape of electron energy spectra from forbidden first beta transitions, has been calibrated for future data exploitation. oca