Production de neutrons Production de neutrons par réactions par réactions

photonucléairesphotonucléaires

GIACRI-MAUBORGNE Marie-Laure

CEA Saclay DSM/DAPNIA/SPhN

giacri@cea.fr

02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

• La physique des réactions photonucléaires

• La production de neutrons

• Détection d’actinides

• Transmutation des déchets radioactifs

PlanPlan

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La physiqueLa physique

U*

Noyau excité

Emission de neutrons

n

FP

FP

Fissione-

+

U

Bremsstrahlung

Cible

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Les neutrons produitsLes neutrons produits

On a un maximum de neutrons si on envoie des photons de 15 MeV.

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Les neutrons produits (2)Les neutrons produits (2)

Les neutrons issus de fission ont une énergie plus grande que les autres.

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Le Le ““problèmeproblème”” du du BremsstrahlungBremsstrahlung

Le Bremsstrahlung produit des photons avec une énergie allant de 0 à l’énergie des électrons primaires.

Pas de flux monoénergétique

Les réactions photonucléaires sont des réactions à seuil (6 MeV)

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Production de neutronsProduction de neutrons

Il n’existe pas de source primaire intense de neutrons, on utilise soit des neutrons provenant de réacteur ou des neutrons de spallation (issus de la fission induite par protons de haute énergie).

Les réactions photonucléaires peuvent être une alternative.

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Un coût réduitUn coût réduit

Comparison Spallation / Photonuclear

y = 0.1827x 0.1626

y = 0.0759x 0.1446

0

1

10

100

1 000

1.E+12 1.E+13 1.E+14 1.E+15 1.E+16 1.E+17 1.E+18 1.E+19

Neutron Flux (n/s)

Inve

stm

ent

Co

st

(ME

uro

)

SPALLATIONPHOTONUCLEAR

H. Safa et al.

Les flux de neutrons sont moins intenses que les flux produits par spallation mais le coût est divisé par 3.

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La transmutationLa transmutation

La transmutation consiste à irradier des matériaux pour réduire leur activité et/ou leur durée de vie. Par exemple :

93Zr + → n + 92Zr (stable)93Zr + → 2n + 91Zr (stable)93Zr + n → 94Zr (stable)

90Sr + → n + 89Sr → - + 89Y (stable)90Sr + → 2n + 88Sr (stable)90Sr + n → 91Sr → - + 91Y → - + 91Zr (stable)

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La transmutation des La transmutation des déchets : déchets : 137137CsCs

1 an d’irradiation dans un flux de 1017 .cm-2.s-1

7 ans de décroissance

A 1018 .cm-2.s-1 l’activité totale est divisée par 16

Irradiation Décroissance

Naturelle (ref) Après traitement Flux équivalent neutrons

Activité 1 0.33 4 1017 nth.cm-2.s-1 / 1.5 1018nfast.cm-2.s-1

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La transmutation des La transmutation des déchets :déchets :9393ZrZr

1 an d’irradiation dans un flux de 1017 .cm-2.s-1

7 ans de décroissance

A plus haut flux l’activité augmente. Mais elle est due à des radioéléments à vie plus courte : 85Kr (T1/2=11 ans) et 55Fe (T1/2<3ans)

Naturelle (ref) Après traitement Flux équivalent neutrons

Activité 1 0.67 1016 nth.cm-2.s-1 ou 6 1016 nfast.cm-2.s-1

Irradiation

Décroissance

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Les neutrons retardés Les neutrons retardés témoins de la fissiontémoins de la fission

Lors d’une fission le noyau se sépare en deux noyaux plus des neutrons.

Certains de ces noyaux sont radioactifs et peuvent décroître en émettant un neutron. Ces neutrons qui sont produits plusieurs secondes après la fission sont appelés neutrons retardés.

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Analyse non destructiveAnalyse non destructive

Neutrons retardés

Neutrons prompts de fission Cible-convertisseur

Electrons Photons

Si après l’arrêt du faisceau on détecte encore des neutrons cela indique qu’à l’intérieur du colis des actinides (uranium, plutonium) ont fissionné.

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• Production de faisceaux d’ions radioactifs• Dopage de semi-conducteurs• Dosimétrie par photo-excitation• Analyse de matériaux par fluorescence

Pour plus détails lire l’article "applications of photonuclear reactions" de D.J.S. Findlay publié dans NIM B50, p314 (1990)

Autres applicationsAutres applications

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ConclusionConclusion

• Les réactions photonucléaires ont de nombreuses applications.

• Leur mise en place ne demande pas d’installations très lourdes.

• La transmutation des déchets par neutron et par réactions photonucléaires sont deux voies complémentaires qu’il faut étudier de manière plus approfondie.