Une chambre à fission dévoile la capture de neutrons par l'uranium 233

Publié par Redbran le 26/06/2020 à 13:00
Source: CEA
Le CEA-Irfu et ses partenaires ont développé une "chambre à fission" compacte qui permet d'étudier la capture de neutrons par l'uranium 233 dans l'installation Neutron Time-of-Flight Facility (n_TOF) au Cern. Ces mesures sont intéressantes pour évaluer les performances de réacteurs innovants utilisant le cycle thorium-uranium.


(c) CERN/Maximilien Brice

Au cours d'une réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire,...) de fission, un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) bombarde un noyau d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou l'arsenic, quatre fois...) 233 (ou 235) et le casse en deux fragments, avec libération de neutrons et émission de rayons gamma. Plus rarement, il peut être capturé par ce noyau, ce qui dégrade le bilan neutronique du réacteur (Un réacteur peut désigner :). Or la mesure de ce processus avec une cible d'uranium exposée à un faisceau de neutrons est extrêmement difficile. Les rayons gamma associés à la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste...) des neutrons sont en effet noyés dans la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de ceux produits par la fission.

Pour y remédier, les chercheurs disposent une "cible active" à l'intérieur du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement...) gamma (ici, le calorimètre gamma à absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...) totale de la collaboration n_TOF). Celle-ci renferme à la fois les noyaux d'uranium 233 à étudier et un "premier" détecteur compact, capable d'identifier à la fois les fragments issus des réactions de fission et les particules alpha issues des décroissances radioactives de l'uranium et des produits de fission.

Le développement du détecteur à partir d'un instrument réalisé par la DAM est guidé par des contraintes en partie contradictoires et spécifiques à cette étude: compacité, quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) suffisante d'uranium 233, rapidité, résolution en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) et en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), etc.

Résultat de compromis, la nouvelle chambre contient finalement deux empilements de cellules d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant...), renfermant de minces couches d'uranium. Au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En...), près de 46 mg d'uranium 233 sont répartis sur chacune des 14 cathodes par électrodéposition. La rapidité du détecteur est assurée par l'utilisation de tétrafluorométhane (CF4) comme gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) ionisant et un espacement entre électrodes de 3 mm seulement. Ainsi le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les...) typique généré par un fragment de fission est-il caractérisé par un temps de montée (10%-90%) de 16 ns et une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane,...) à mi-hauteur de 34 ns seulement.

Cette chambre a été placée au coeur du calorimètre gamma auprès de la source de neutrons n_TOF du Cern et a permis la mesure simultanée des sections efficaces de capture et de fission de l'uranium 233 en distinguant les rayons gamma de capture et ceux de fission, dix fois plus nombreux, dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...) très radioactif.

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à...) de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de...) de Michael Bacak effectuée au Cern au sein de la collaboration n_TOF, avec la DAM Île-de-France et le Joint Research Centre de la Commission européenne à Geel (Belgique).

Références

Development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les champs de la génétique évolutive du développement allant de la biologie cellulaire, des cellules souches, la biologie...) of a detector for the simultaneous measurement and for the study of uranium-233 capture and fission yields at the CERN n_TOF neutron source, Thèse de Doctorat en cotutelle Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) Paris-Saclay (France) - Technische Universität Wien (Autriche)

A compact fission detector for fission-tagging neutron capture experiments with radioactive fissile isotopes, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
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