Etude des réactions neutroniques: la "méthode de substitution" tient ses promesses

Publié par Redbran le 29/09/2020 à 09:30
Source: CNRS IN2P3
Cette méthode envisage de simplifier l'étude des réactions neutroniques sur les noyaux instables. Testée dans l'installation ALTO1 d'IJCLab2 dans le cadre d'une collaboration menée par des équipes du CENBG3 et du CEA-DAM4 Ile-de-France, elle fait à nouveau la preuve de son efficacité en déterminant pour la première fois, simultanément, les sections efficaces induites par neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) de fission et de 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 aboutit à sa satellisation ou...) radiative du plutonium 239 (Le plutonium 239, noté 239Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 239 : son noyau atomique compte 94 protons et 145 neutrons...). Les résultats sont publiés dans Physical Review Letters.


Fig. 1: Sections efficaces de fission (a) et capture radiative (b) du 239Pu induites par des neutrons. Les résultats obtenus avec la méthode de substitution sont indiqués par des lignes bleues continues. Les aires en bleu-ombré indiquent les d'incertitudes associées. Les pointillés noirs indiquent les résultats des mesures directes et les lignes alternant tirets et pointillés représentent les différentes évaluations pour ces sections efficaces.

Créer un noyau identique en masse, en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) et en énergie d'excitation

Étudier les réactions induites par les neutrons, autrement dit les réactions neutroniques, représente un défi pour les scientifiques. A fortiori lorsqu'ils doivent étudier des noyaux instables. Il leur faut manipuler des cibles radioactives très complexes à produire et manipuler, et composer avec un énorme bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation...) qui complique la mesure des sections efficaces. Entendez par là, la propension qu'aura le noyau d'évoluer vers un état ou un autre à partir de la même excitation initiale.

Pour simplifier ces mesures, ou parfois juste les rendre possibles en laboratoire, les scientifiques expérimentent une parade. Ils miment les effets d'une réaction neutronique en produisant par une voie plus simple, grâce aux faisceaux d'ions, un noyau équivalent en masse, en charge et en énergie à celui que l'on cherche à étudier. Cela s'appelle la méthode de substitution. C'est cette approche que la collaboration emmenée par les équipes du CENBG et du CEA-DAM Ile de France explore depuis plusieurs années sur l'installation ALTO d'IJCLab.

Du plutonium 240 dans un faisceau d'alphas

"Notre objectif est de tester la méthode de substitution. Pour cela nous avons utilisé du plutonium 240 pour déduire les sections efficaces neutroniques du plutonium 239, explique Beatriz Jurado, chercheuse au CENBG et co-autrice de l'étude. Nous exposons une cible de 240Pu à un faisceau de particules alpha qui vont rebondir sur les noyaux de plutonium et les exciter en leur cédant un peu d'énergie au passage. Comme dans le cas d'un noyau de 239Pu qui aurait capturé un neutron avant de fissionner, le 240Pu va alors évoluer, soit vers une émission de rayons gamma - la capture radiative-, soit vers une fission en deux noyaux fils."

Voilà pour le principe. Dans la réalité les choses sont beaucoup plus compliquées. Notamment parce que l'expérience génère toujours un important bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à...) de fond gamma provenant de la désexcitation des fragments de fission et qui compromet les mesures. Pour en venir à bout, la collaboration a dû batailler sur tous les fronts de son protocole expérimental. A commencer par l'installation autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) de la cible de trois types de détecteurs de nature différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau...): des détecteurs de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) chargés de mesurer les alphas diffusés, des cellules photovoltaïques pour enregistrer les fragments de fission et des détecteurs à scintillateur (Un scintillateur, est un matériau qui émet de la lumière suite à l'absorption d'un rayonnement.) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) pour surveiller les émissions gamma. Ce trio à l'avantage de faire de la détection en coïncidence et donc de s'affranchir du bruit de fond, mais il permet aussi pour la première fois de mesurer en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) les deux phénomènes étudiés: la fission et la capture radiative. L'autre tour de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) a été de disposer d'une cible de 240Pu la plus pure possible. La solution est venue cette fois du laboratoire de radiochimie d'IJCLab qui a réalisé une cible par électro déposition de 240Pu sur un support de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) ultrafin.

Le calcul théorique pour remonter aux sections efficaces

A l'issue de la prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), l'équipe dispose d'une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités...) pour chacun des deux destins possibles de la réaction à différents niveaux d'énergie d'excitation. Reste encore à faire le lien avec la notion plus complexe de section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de...). C'était le travail de l'équipe du CEA-DAM qui avait en charge cet autre tour de force: réaliser la modélisation théorique des propriétés des états quantiques peuplés par la réaction de substitution sur le 240Pu. La combinaison (Une combinaison peut être :) de ces données théoriques avec les probabilités expérimentales a, in fine, donné des valeurs de sections efficaces pour le 239Pu bien cohérentes avec les mesures directes trouvées dans la littérature (voir la figure 1).

L'étude montre ainsi que cette approche alternative pourra dorénavant être utilisée avec confiance. Une bonne nouvelle pour les physiciens nucléaires qui comptent beaucoup dessus pour produire des données nucléaires sur des noyaux difficilement accessibles, alors qu'ils sont d'intérêt pour les productions innovantes d'énergie nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), ou pour l'étude du cycle de la nucléosynthèse stellaire (Dans le domaine de l'astrophysique, la nucléosynthèse stellaire est le terme qui désigne l'ensemble des réactions de fusion nucléaire qui ont lieu à l'intérieur des étoiles et dont le résultat est la...).

Laboratoires français impliqués:

- CENBG (Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan).
- IJCLab (Laboratoire des 2 infinis Irène Joliot-Curie), Orsay.
- LPSC (Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) Subatomique et Cosmologie), Grenoble
- CEA-Cadarache (Commissariat à l'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.) Atomique-Direction d'Energie Nucléaire)
- CEA-DAM (Commissariat à l'Énergie Atomique-Direction des applications militaires), Île-de-France.

Bibliographie:
- R. Pérez Sánchez et al., Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 122502: “Simultaneous determination of neutron-induced fission and radiative capture cross sections from decay probabilities obtained with a surrogate reaction”. - R. Pérez Sánchez et al., Nucl. Instrum. Meth. A 933, 63 (2019): “Experimental set-up for the simultaneous measurement of fission and-emission probabilities induced by transfer or inelastic-scattering reactions”.

Notes:
1 Accélerateur linéaire et tandem à Orsay.
2 Laboratoire des 2 infinis Irène Joliot-Curie (Irène Joliot-Curie (12 septembre 1897 - 17 mars 1956) était une chimiste et une physicienne française. Épouse de Frédéric Joliot-Curie, leurs travaux en radioactivité artificielle leur ont valu le prix Nobel de chimie en 1935.).
3 Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan.
4 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives-Direction des applications militaires.
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