Etudes sur l’installation GELINA des sections efficaces neutroniques des isotopes du fer d’intérêts pour les réacteurs nucléaires

Study of neutron-induced reaction cross sections on Fe isotopes at the GELINA facility relevant to reactor applications

• Auteur / Autrice : Georgios Gkatis
• Direction : Gilles Noguere, Maria Diakaki
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Université polytechnique nationale d'Athènes
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - IRESNE
• Jury : Président / Présidente : Jose Busto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Noguere, Maëlle Kerveno, Arnd Junghans, Maria Diakaki, Michail Kokkoris, Cyrille De saint jean, Roberto Capote noy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maëlle Kerveno, Arnd Junghans

Mots clés

Mots clés libres

Physique nucléaire

Section efficace neutronique

Modélisation

Fer 56

Neutron cross section

Elastic scattering

Direct capture

Iron 56

Nuclear physics

Evaluation

Résumé

Les études des réactions induites par les neutrons sont d'un intérêt considérable, non seulement pour leur importance dans la recherche fondamentale en physique nucléaire, mais aussi pour leurs applications pratiques. Le fer est un matériau structurel majeur, largement utilisé dans les applications nucléaires, en particulier dans les réacteurs nucléaires où les composants en 'acier sont utilisés pour construire le support structurel du cœur et du réflecteur. Pour cette raison, des données précises sur les neutrons sont indispensables pour la conception et le fonctionnement fiable de ces installations. Le manque de données expérimentales, notamment dans la région des énergies des neutrons rapides, a créé des divergences entre les bibliothèques de données nucléaires évaluées actuelles. De nouvelles mesures de sections efficaces sur le fer ont été réalisées à l'installation de temps de vol GELINA. D'une part, des expériences de diffusion ont été menées pour déterminer la section efficace différentielle de la diffusion élastique et inélastique des neutrons sur 54Fe et 56Fe dans la région des énergies des neutrons rapides (1-8 MeV), en utilisant des échantillons enrichis pour les deux isotopes. Pour la détection des neutrons diffusés, le spectromètre ELISA (ELastic and Inelastic Scattering Array) a été utilisé. L'ensemble se compose de 32 scintillateurs organiques liquides pour la détection des neutrons diffusés et d'une chambre à fission de 235U pour la mesure du flux de neutrons. D'autre part, des expériences de transmission sur natFe ont été réalisées à 50m de la source de neutron (base de vol 4). La configuration de flux modéré a été utilisée, fournissant un spectre de neutrons avec des énergies allant de quelques eV à des centaines de keV. Les neutrons ont été détectés par un scintillateur en verre au lithium enrichi en 6Li. Deux disques métalliques en fer naturel de 1.2cm et 4.5cm d'épaisseur ont été mesurés. Enfin, le mécanisme de capture radiative directe pour le 56Fe a été exploré dans le but de fournir une interprétation physique des modifications apportées à la section efficace de capture de 56Fe. Plus précisément, deux modifications principales ont été apportées aux sections efficaces évaluées. Un fond artificiel a été ajouté dans la région des résonances résolues, afin de reproduire les mesures intégrales dans cette gamme d'énergie. La section efficace au-dessus de 850 keV a également été augmentée sur la base des données expérimentales fournies par le Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). Le but de ce travail est de réaliser de nouvelles expériences et des calculs théoriques pour étudier les sections efficaces des réactions induites par neutrons sur le fer, dans le but de résoudre les problèmes signalés dans les fichiers évalués en fournissant de nouvelles données expérimentales/théoriques pour des réactions clés et des régions d'énergie specifiques.

Studies of neutron induced reactions are of considerable interest, not only for their importance to fundamental research in Nuclear Physics but also for practical applications. Iron is a major structural material, used widely in nuclear technology applications, especially nuclear reactors where steel alloy components are used for building the core's structural support and as reflectors. For this reason, accurate neutron data are indispensable for the design and reliable operation of such facilities. The lack of experimental data, especially in the fast neutron energy region, has created discrepancies between the current evaluated nuclear data libraries. New cross section measurements on Fe were carried out at the neutron time-of-flight facility GELINA. On the one hand, scattering experiments were performed to determine the differential cross section of neutron elastic and inelastic scattering on 54Fe and 56Fe in the fast neutron energy region (1-8MeV), using enriched samples for both isotopes. For the detection of the scattered neutrons, the ELISA (ELastic and Inelastic Scattering Array) spectrometer was used. The array consists of 32 liquid organic scintillators for the detection of the scattered neutrons and a 235U fission chamber for the measurement of the neutron flux. On the other hand, transmission experiments on natFe were performed at the 50m measurement station of flight path 4. The moderated flux configuration was used providing a neutron spectrum with energies from a few eV to hundreds of keV. The neutrons were detected by a Li-glass scintillator enriched in 6Li. Two natural iron metallic discs of 1.2 cm and 4.5 cm thickness were measured. Finally, the direct radiative capture mechanism for 56Fe was explored in an effort to provide a physical interpretation behind changes that were made in the capture cross section of 56Fe. Specifically, two main changes were made in the evaluated cross sections. An artificial background was added in the resolved resonance region, in order to reproduce integral measurements in this energy range. The cross section above 850keV was also increased based on experimental data provided by the Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). The goal of the present work is to perform new experiments and theoretical calculations to study neutron induced reaction cross sections on iron in an effort to tackle issues reported in the evaluated files by providing new experimental/theoretical data for key reactions and neutron energy regions.