Physique Nuclaire pour les racteurs du futur et autres nouvelles applications Sylvie LERAY CEASaclay

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Physique Nucléaire pour les réacteurs du futur et
autres nouvelles applicationsSylvie
LERAYCEA/Saclay, DAPNIA/SPhN Groupes de
travail J. Barreau, E. Berthoumieux, H. Safa, T.
Kirchner
Physique et Chimie pour lEnergie et
lEnvironnement
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Motivations générales

• Le renouveau probable du nucléaire à plus ou
  moins long terme
• Prise de conscience de leffet de serre dû aux
  énergies fossiles
• Accroissement de la demande des pays émergents
• Epuisement des ressources fossiles
• Potentiel limité des énergies renouvelables
• La nécessité dapporter des réponses
  convaincantes aux craintes concernant
• la gestion des déchets
• la sûreté
• le contrôle de la non-prolifération

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Motivations générales

• De nouveaux types de réacteurs
• Incinérateurs dactinides mineurs critiques ou
  sous-critiques
• Réacteurs  Génération IV 
• Plus économiques, optimisant les ressources
• Plus sûrs
• Produisant moins de déchets
• Non proliférants
• Eventuellement adaptés à production dhydrogène,
  désalinisation eau de mer
• Cycle du thorium
• Fusion
• De nouvelles méthodes nucléaires permettant
• la caractérisation des matières nucléaires
• le contrôle de la non-prolifération

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Ce que propose les physiciens nucléairesdans ces
domaines

• Données neutroniques
• Spallation et systèmes hybrides
• Photofission et autres nouvelles applications

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Mesures neutroniques fondamentales

• Les besoins
• Augmentation de la durée de vie des réacteurs
  actuels (et GenIII)
• isotopes de lU, Pu, AM présents en plus grandes
  quantités
• Exigence accrue de sûreté et déconomie
• précision plus grande (et connue) sur les
  données
• Transmutation des déchets dans des réacteurs
  critiques ou sous-critiques
• ? Sections efficaces capture, fission sur AM,
  données pour la sûreté (neutrons retardés)
• Nouvelles filières de réacteurs (GenIV)
• ? Caloporteurs, modérateurs différents, nouveaux
  combustibles, spectres différents Sections
  efficaces capture, diffusion élastique
• Fusion
• ? Activation des matériaux

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Mesures neutroniques fondamentales
Les mesures intégrales à lILL

• Mesures intégrales dans des hauts flux de
  neutrons thermiques de dureté variable
• Micro-chambres à fission
• Spectroscopie a, ß, ?
• Spectrométrie de masse (AMS, ICPMS)
• sections efficaces (n,?) et (n,f)
• potentiels dincinération
• Atouts
• Accès aux isotopes à vie courte
• Faibles masses déchantillons
• Maîtrise du flux de neutrons
• Études en fonction de la dureté du spectre

Fmax1.5 1015 n/cm2/s
Réacteur de lILL (Grenoble)
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Mesures neutroniques fondamentales
Les mesures intégrales à lILL

• Programme
• s (n, ?) et (n,f) 232Th, 243-245Cm, Bk, Cf
• Potentiels dincinération 237Np, 239Pu, 241Am,
  243Cm
• Durée de vie des réacteurs, transmutation
• Perspectives
• Mesures s pour nouveaux combustibles
• Irradiations (50j ILL 30 ans REP)
• Gen IV (VHTR)
• Mesures spectre ß PF sur isotopes Pu, AM
• Contrôle de la prolifération
• Mesures neutrons retardés
• à LOHENGRIN
• Sûreté des réacteurs

Particule TRISO pour GT-MHR
Spectromètre LOHENGRIN
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Mesures neutroniques fondamentales
Les mesures différentielles

• Mesures de sections efficaces différentielles en
  fonction de lénergie par temps de vol
• s capture, fission actinides, produits de
  fission, matériaux de structure
• Réacteurs actuels, transmutation, réacteurs du
  futur
• Dispositif n-TOF au CERN à partir de 2006
• forte intensité instantanée mais faible cycle
  utile, gamme en énergie
• adapté pour cibles radioactives
• modification salle experimentale en labo classe
  A pour mesurer des échantillons très radioactifs
  (241Am, 244, 245Cm)
• optimisation détecteur 4pBaF2 pour mesurer
  isotopes fissiles

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Mesures neutroniques fondamentales
Les mesures différentielles

• GELINA (Geel)
• flux intégré plus important
• Pas adapté corps radioactifs
• mesures (n,?) et stot
• rapports de branchements (209Bi(n, ?)210m,210gBi)
• Perspectives installations futures
• Sources très intenses mais basse résolution
• Mesures disotopes très radioactifs et très
  faible masse (lt1 mg). SPIRAL-II (2009) GSI,
  projet NUSTAR/NCAP (2012)

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Mesures neutroniques fondamentales
Les mesures par réactions indirectes

• Réactions de transfert
• Déterminer les sections efficaces de fission de
  242,243,244Cm et 241Am à partir dune cible d
  243Am auprès du Tandem dOrsay.
• 243Am(3He,pf)245Cm
  244Cm(n,f)
• 243Am(3He,df)244Cm
  243Cm(n,f)
• 243Am(3He,tf)243Cm
  242Cm(n,f)
• 243Am(3He,4Hef)242Am
  241Am(n,f) 
• Quantité de matière 50 µg (activité 3,7 105
  Bq).
• Mesures de distributions isotopiques des
  fragments de fission au GANIL en cinématique
  inverse
• 238Ud 239Un p détecté
• Perspectives Réactions de fusion avec exotiques
  ? Cm

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Spallation et systèmes hybrides (ADSR)

• Les réacteurs sous-critiques pilotés par
  accélérateur
• Combustibles à haute teneur en actinides mineurs
  
• Quelques ADSR dans un parc de réacteurs
  critiques
• réduction significative de la radiotoxicité à
  long terme

• Les étapes
• EUROTRANS (2005-2009)
• Etude de faisabilité, démonstration
  expérimentale de certains composants, définition
  ETD (European Transmutation Demonstration)
• XT-ADS démonstration couplage principaux
  composants (50 MWth)
• ETD/EFIT démonstration globale ( qq centaines de
  MWth)

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Spallation et systèmes hybrides (ADSR)Le module
de spallation

• Objectifs généraux
• Maîtriser la réalisation de cibles de métaux
  liquides
• Optimiser les performances
• Estimer tenue des composants (fenêtre)
• Dossier de sûreté
• ADSR mais aussi production RIB, sources
  spallation

• Physique de la spallation
• des codes de simulation capables de prédire avec
  une précision connue nimporte quelle quantité
  relative aux réactions de spallation )
• ? développement de cibles (MEGAPIE, TRADE,
  MYRRHA) tests en vraie grandeur, validation

Cible MEGAPIE
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Spallation et systèmes hybrides (ADSR)Physique
de la spallation

• Expériences

• Modélisation
• Amélioration des modèles
• Inclusion des modèles dans les codes de
  transport (MCNPX)

• Validation

Xe

• Résultats préliminaires ISOLDE p Pb-Bi
• 1400 MeV (L. Zanini, ND2004 Santa Fe)

Mesures à GSI
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Spallation et systèmes hybrides (ADSR)Physique
de la spallation

• Expériences plus exclusives nécessaires pour
  comprendre déficiences des modèles
• SPALADIN à GSI (2004-2007) limité à noyaux A?100
• NUSTAR/R3B

Aimant GLAD

• Amélioration des modèles de désexcitation
• Production de gaz, dommages
• Physique de la production dIMF, fission

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Spallation et systèmes hybrides
(ADSR)Validation, réalisation de cibles

• Projet MEGAPIE (option fenêtre)
• Réalisation dune cible au Pb-Bi liquide pour une
  puissance faisceau de 1MW
• 2006 irradiation
• 2007 2008 retour dexpérience
• ? Etudes sur
• mesures de flux
• production des résidus
• comportement des matériaux

• Projet TRADE (option fenêtre)
• Réalisation dune cible Ta solide
• 2008 cible dans le réacteur
• ? Etudes sur
• mesures de flux

MEGAPIE à SINQ (PSI)
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Spallation et systèmes hybrides
(ADSR)Validation, réalisation de cibles

• Projet MYRRHA/XT-ADS (option sans fenêtre)
• Intégration cible dans un cur sous-critique (
  50 MWth)
• Etude neutronique
• Mesures de données nucléaires spécifiques en
  réponse à la demande des autorités de sûreté
• Analyse des incertitudes et impact sur le cur
• Conception thermo-mécanique du module de
  spallation et de linterface cible accélérateur
• Instrumentation cible et cur (mesures de flux)

MYRRHA
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Photofission et autres nouvelles applications

• Enjeux
• Caractérisation de matières nucléaires
• Contrôle de la non-prolifération
• Méthode
• Interrogation photonique à distance
• Mesures du spectre des anti-neutrinos
• Approche
• Des mesures fondamentales jusquà la validation

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Photofission et autres nouvelles
applicationsCaractérisation de matière nucléaire

• Linterrogation photonique à distance
• méthode non destructive
• grande pénétration
• sensibilité à émetteurs a, ß faible énergie

Element fissile par ex 238U
Ee 40 100 MeV
g  flash 
n  prompt 
Détecteur
n retardés
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Photofission et autres nouvelles
applicationsCaractérisation de matière nucléaire

• Evaluer la quantité dactinides contenus dans les
  colis de déchets nucléaires ? Reclassement dune
  catégorie à une autre
• Détecter des matières sensibles dans les bagages
  ou les conteneurs
• Caractérisation des poussières recueillies lors
  de contrôle AIEA ? contrôle de la
  non-prolifération
• Objectifs
• Abaisser seuil de sensibilité actuellement 17g
  Pu / 5t béton ? 200 mg
• Identification isotopique

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Photofission et autres nouvelles
applicationsCaractérisation de matière nucléaire

• ? Projet INPHO
• Mesures fondamentales à Bruyères spectres et
  taux de production neutrons retardés sur U, Pu,
  Am, Np, Th (2005-2006), sensibilité aux neutrons
  prompts
• Modélisation, bases de données (coll. LANL)
• Identification et réduction du bruit de fond
• Démontrer la faisabilité
• Autres applications de la photofission
• Production de noyaux exotiques
• Sources de neutrons petits irradiateurs,
  réacteurs à ß compensé

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Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la
prolifération
Origine des anti-neutrinos La désintégration b
des produits de fission présents dans le réacteur
 prompt  ou retardée 

• Les études sur la fission nous apprennent que
  les produits de fission de l 235U et du 239Pu
  sont différents (Qb)
• les spectres n sont donc différents
• Objectifs Étudier la sensibilité de la mesure
  du spectre des anti-neutrinos pour les différents
  scenarii de prolifération envisagés par lAIEA.
• Application à lexpérience  double Chooz 

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Sensibilité dans le cas de double-Chooz
Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la
prolifération
? p ? e n
g de capture sur Gd
2 g (511 KeV)

• Avec le noyau fissile
• Déplacement du spectre b ?n
• Variation du taux de comptage dans le détecteur

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Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la
prolifération

• Etudes proposées
• Mesures des spectres b pour différents noyaux
  fissiles (235U, 239Pu, 241Pu, 243Cm) en fonction
  du temps de refroidissement, et pour différents
  temps daccumulation des PF.
• Étude du déplacement spectral (Qbf(t))
• Mesure des spectres  prompt 
• ? Implantation dun détecteur b dans le
  dispositif Mini-INCA de lILL
• Simulations de lévolution de la composante
  neutrino du réacteur de Chooz
• Variations temporelles de la réactivité (mesure
  avec des chambres à fission)
• Variations spatiales du  centre de gravité  des
  fissions
• Étude de la sensibilité dune telle méthode pour
  divers scenarii (réacteurs et combustibles)

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Conclusions

• Besoins accrus dans le domaine de lénergie
  nucléaire et de lenvironnement
• Des projets cohérents allant du fondamental aux
  applications
• Collaborations avec les autres acteurs du
  domaine (CEA, AIEA ..)
• Collaborations internationales
• Applications aux autres domaines
• Mesures neutroniques structure nucléaire,
  astrophysique
• Spallation astrophysique, spatial
• Un besoin de renforcement des équipes
• Actuels 28 ? Souhaités 37