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

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.


Au cours d'une réaction nucléaire de fission, un neutron bombarde un noyau d'uranium 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. 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 des neutrons sont en effet noyés dans la masse de ceux produits par la fission.

Pour y remédier, les chercheurs disposent une "cible active" à l'intérieur du détecteur gamma (ici, le calorimètre gamma à absorption 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 suffisante d'uranium 233, rapidité, résolution en temps et en énergie, etc.

Résultat de compromis, la nouvelle chambre contient finalement deux empilements de cellules d'ionisation, renfermant de minces couches d'uranium. Au total, 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 ionisant et un espacement entre électrodes de 3 mm seulement. Ainsi le signal typique généré par un fragment de fission est-il caractérisé par un temps de montée (10%-90%) de 16 ns et une largeur 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 très radioactif.

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de la thèse de doctorat 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 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 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