Mesure des rendements de capture et de fission du plutonium-241 auprès de l'installation n_TOF du CERN

Measurement of plutonium-241 capture and fission yields at the CERN n_TOF facility

• Auteur / Autrice : Aline Cahuzac
• Direction : Emmeric Dupont
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Structure et réactions nucléaires
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de physique nucléaire - DRF/IRFU
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Mesures

Structure nucléaire

Neutronique

Données nucléaires

Physique nucléaire

Réaction nucléaire

Neutronics

Nuclear reaction

Nuclear data

Nuclear structure

Nuclear physics

Measurements

Résumé

Le plutonium est produit dans les réacteurs à eau actuels qui utilisent de l'uranium pour combustible. Le 239Pu est produit par capture neutronique sur l'238U puis double décroissance β (238U(n,γ)239U --> 239Np --> 239Pu). 240Pu et 241Pu sont produits par captures successives sur 239Pu. Dans un combustible usé,les isotopes fissiles 239Pu et 241Pu contribuent significativement à la production d'énergie. Dans le cas d'un réacteur innovant utilisant du plutonium pour combustible, la contribution du 241Pu serait importante dès le début de cycle. Il reste mal connu en raison des difficultés inhérentes à son étude = d'une part du fait de sa courte demi-vie (~14 ans) et d'autre part de sa décroissance en 241Am dont la section de capture très élevée perturbe la mesure. L'Agence pour l'Énergie Nucléaire recommande donc d'améliorer la précision des sections de capture et de fission du 241Pu. La section de capture du 241Pu est environ 4 fois moindre devant celle de fission dans le domaine en énergie considéré. Une mesure précise de sa capture requiert donc un dispositif permettant de détecter les γ et d'identifier ceux provenant de la fission. Dans l'expérience proposée auprès de la source de neutrons n_TOF du CERN, les gammas issus des réactions (n,γ) et (n,f) sont détectés par un calorimètre 4pi (TAC – Total Absorption Calorimeter) tandis que les événements de fission sont identifiés par une chambre à fission (CaF) contenant les échantillons de 241Pu placée au centre du TAC. Cette nouvelle mesure permettra d'améliorer significativement la précision de la section efficace de capture du 241Pu tout en apportant des informations complémentaires sur la réaction de fission (gammas prompts et section efficace). Le doctorant contribuera à la préparation et à la réalisation de l'expérience, ainsi qu'à l'analyse des résultats : simulations du dispositif (TAC + CaF + échantillons Pu), spécification des caractéristiques des échantillons, développement et tests de la chambre à fission, mise en place et mise au point du dispositif à n_TOF, prise de données, réduction des données et analyse des données de fission (gammas prompts et section efficace).

Plutonium is produced in current power reactors that use uranium fuel. 239Pu is produced by neutron capture on 238U then double β decay (238U(n,γ)239U --> 239Np --> 239Pu). 240Pu and 241Pu are produced by successive captures on 239Pu. In spent fuel at the end of a cycle, the fissile isotopes 239Pu and 241Pu contribute significantly to energy production. In the case of an innovative reactor using plutonium as fuel, the contribution of 241Pu is important from the beginning of the cycle. 241Pu is not well known because of the difficulties inherent to its study, on the one hand because of its short half-life (~14 years) and on the other hand because of its decay into 241Am whose very high capture cross-section disturbs the measurement. The Nuclear Energy Agency therefore recommends to improve the accuracy of the capture and fission cross sections of 241Pu. The capture cross section of 241Pu is about 4 times lower than the fission cross section in the energy range of interest. In order to realize an accurate measurement of its capture it is thus necessary to develop a device for the detection of gammas and the identification of those coming from the fission. In the proposed experiment at the CERN neutron source n_TOF, gammas from the (n,γ) and (n,f) reactions are detected by a 4pi calorimeter (TAC - Total Absorption Calorimeter) while fission events are identified by a fission chamber (CaF) containing 241Pu samples placed in the center of TAC. This measurement will significantly improve the accuracy of the 241Pu capture cross section while providing additional information on the fission reaction (prompt gammas and cross section). The PhD student will contribute to the preparation and the realization of the experiment, as well as to the analysis of the results: simulations of the device (TAC + CaF + Pu samples), specification of the samples characteristics, development and tests of the fission chamber, implementation and tuning of the device at n_TOF, data taking, data reduction and analysis of the fission data (prompt gammas and effective cross section).