Prédiction par calcul des observables de fission à partir d'expériences dédiées

by Valentin Piau

Doctoral thesis in Physique subatomique et astroparticules

Under the supervision of Olivier Litaize.

defended on 19-10-2022

in Université Grenoble Alpes , under the authority of École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....) , in a partnership with CEA Cadarache (Bouches-du-Rhône) (laboratoire) .

Thesis committee President: Mourad Ramdane.

Thesis committee members: Jonathan Wilson, Thomas Materna.

Examiners: Louise Stuttgé, Olivier Roig.

  • Alternative Title

    Predictive calculations of fission observables from dedicated experiments


  • Abstract

    Nuclear fission is a complex phenomenon during which a heavy nucleus splits into two lighter nuclei, referred as fission fragments. During this process, as fission leaves the fragments in an excited state, prompt particles (neutrons, photons and electrons) will be emitted shortly after scission. The characteristics of these prompt particles, e.g., spectral distribution, multiplicity, as well as the fragment yields and the isomeric ratios, are called fission observables. For nuclear-energy applications, these data are of primary interest as they characterize the number and the energy of particles produced by the fission reaction.First, multi-parameter measurements of such fission observables will be presented. Correlated data were acquired with the VESPA setup (VErsatile γ SPectrometer Array) at the European Commission Joint Research Center (EC-JRC) in Geel, using the spontaneous fission of Cf-252. VESPA is made of several LaBr3(Ce) scintillators, which are used to measure the prompt fission gamma-ray spectra (PFGS). A double Frisch-grid ionization chamber is mounted in the center of the setup to measure simultaneously the kinetic energy of both fission fragments (2E method). Thus, the PFGS have been obtained as a function of fission fragments characteristics, i.e., mass, total kinetic energy (TKE) and total excitation energy (TXE). These spectra are then unfolded to extract the mass-, TKE- and TXE- dependent average prompt fission γ-ray multiplicity and total energy. The study of short-lived isomers, with half-lives ranging from nanosecond up to a couple of microseconds, can also be performed with this setup and will be discussed.Second, improvements of the Monte-Carlo code FIFRELIN, developed by the CEA Cadarache, will be presented. FIFRELIN simulates the prompt-particles emission from fission fragments to predict fission observables. For this purpose, it includes several nuclear models defining the initial state of the fragments on the one hand, as e.g. the total excitation energy sharing between the fragments and their total angular momentum, and on the other hand the prompt de-excitation mechanism through an Hauser-Feshbach algorithm, such as nuclear level densities, gamma strength function, etc. These models, previously highly phenomenological, are now including microscopic ones, e.g., based on the Hartree-Fock-Bogoliubov approach. The implementation of such models into FIFRELIN was one of the main developments carried out in this work. Finally, the comparison of the results from FIFRELIN calculations with the experimental data from VESPA helped constraining several nuclear models and their parameters. The presented interplay of experiment and theory may help to understand better the fission process, eventually improving FIFRELIN’s predictability of fission observables and corresponding nuclear data.


  • Abstract

    La fission nucléaire est un phénomène complexe au cours duquel un noyau lourd se divise en deux noyaux plus légers, aussi appelés fragments de fission. Après la scission du noyau composé, les fragments sont laissés dans un état fortement excité et vont alors émettre un certain nombre de particules promptes (neutrons, photons et électrons) lors de leur désexcitation. Les caractéristiques de ces particules promptes (spectres, multiplicités…) ainsi que les rendements de fission et les rapports isomériques constituent des observables de fission. Dans le domaine de l’énergie nucléaire, ces données sont, au même titre que les sections efficaces de réaction, de première importance puisqu’elles caractérisent le nombre et l’énergie des particules issues de la réaction de fission.Dans un premier temps, des mesures multi-paramètres de ces observables de fission seront présentées. Ces mesures ont été effectuées à l’aide du dispositif expérimental VESPA (VErsatile γ SPectrometer Array) du European Commission Joint Research Center (EC-JRC) de Geel, pour la fission spontanée du Cf-252. Ce dispositif est formé d’un ensemble de scintillateurs LaBr3(Ce), permettant la mesure des spectres de γ prompts de fission (PFGS). Ces spectres sont ensuite déconvolués afin de déterminer la multiplicité moyenne et l’énergie totale des γ prompts de fission. Une double chambre d’ionisation à grilles de Frisch est également placée au centre du dispositif, et mesure simultanément l’énergie cinétique des deux fragments de fission (méthode 2E). Ainsi, les caractéristiques des γ prompts de fission ont pu être obtenues en fonction de la masse, de l’énergie cinétique totale, et de l’énergie d’excitation totale des fragments de fission. Le dispositif rend également possible l’analyse d’isomères de demi-vie courte (entre la nanoseconde et la microseconde), ce qui sera également discuté.Dans un second temps, les développements effectués sur le code Monte Carlo FIFRELIN, développé par le CEA Cadarache, seront présentés. Ce code modélise l'émission des particules promptes par les fragments, pour prédire les observables de fission. Pour cela, il intègre plusieurs modèles nucléaires qui définissent d’une part l’état initial des fragments de fission, comme par exemple la répartition de l’énergie d’excitation totale entre les deux fragments, et leur moment angulaire total, et d’autre part le mécanisme d’émission des particules promptes via les densités de niveaux nucléaires ou les fonctions de force gamma, effectué au travers d’un algorithme de type Hauser-Feshbach. Récemment, de nouveaux modèles basés sur une description microscopique des noyaux (via la méthode Hartree-Fock-Bogoliubov par exemple), concurrencent les modèles phénoménologiques établis. Une part importante des développements réalisés sur FIFRELIN a ainsi été l’implémentation de tels modèles au sein de ce code. La confrontation des résultats obtenus à l’issue des calculs de FIFRELIN aux données expérimentales de VESPA permet alors de contraindre divers modèles nucléaires ainsi que leurs paramètres. Cette interaction entre approche expérimentale et approche théorique peut nous permettre de mieux comprendre le processus de fission, et d’améliorer la prédiction par FIFRELIN des observables de fission, et des données nucléaires associées.


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