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Offres de stage / thèse

Dernière mise à jour : mardi 23 octobre 2018, par Greg Henning

  • Le groupe Données Nucléaires pour les « Réacteurs » propose un sujet de stage et de thèse qui abordent tous les volets d’un travail expérimental en physique nucléaire : instrumentation, analyse de données, simulations, interprétation théorique, ... En collaboration avec d’autres expérimentateurs ainsi que des théoriciens de nombreux instituts.

Mesure, modélisation et évaluation de sections efficaces à seuil (n,xng) d’intérêt pour le cycle électronucléaire

Contexte

Le CEA-DEN (par le biais du Laboratoire d’Etudes de Physique, CEA/DEN/LEPh), le CEA-DAM (Service de Physique Nucléaire, DAM/DIF/SPN) et le CNRS (par le biais de l’équipe DNR - Données Nucléaires pour les Réacteurs de l’Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien) sont engagés dans une collaboration dans le cadre du défi NEEDS afin d’améliorer les données nucléaires intéressant l’électronucléaire, en coordonnant leurs efforts de développements expérimentaux, avancées théoriques et évaluations de données nucléaires. L’équipe de la DEN-Cadarache, intervient sur les aspects d’évaluation, d’expériences intégrales et apporte son expertise pour le traitement des incertitudes et des corrélations. L’équipe de la DAM-Bruyères le Châtel, participe au développement des modèles de réactions nucléaires et à l’évaluation des données nucléaires. L’équipe du CNRS apporte son expertise dans le domaine des mesures de données nucléaires (et des développements sur les systèmes de détections) qui constituent une discipline à l’interface entre la physique fondamentale et la physique appliquée.

Dans ce cadre, on fait le constat que la connaissance des données de sections efficaces de diffusion inélastique totale (n,n’), partielle (n,n’γ) et de réaction (n,2n), (n, 2n γ), que l’on désignera dans la suite collectivement par (n,xn), est aujourd’hui encore notoirement insuffisante, en dépit d’efforts récents. Cela se traduit par de fortes incertitudes sur certains paramètres des réacteurs (effet réflecteur, nappes de puissances,…).

Description du travail

Les programmes expérimentaux dans le cadre de NEEDS sont motivés par les besoins en données nucléaires sur les noyaux impliqués dans la filière thorium, par la filière U-Pu dans le cadre des études sur le multi recyclage du Plutonium et l’incinération des actinides mineurs. Ils contribuent à l’amélioration des calculs de neutronique pour des cœurs de réacteur et/ou cycles innovants (génération IV). Cette collaboration s’intéresse plus particulièrement aux mesures de sections efficaces de réaction (n,xn) pour lesquelles l’IPHC a développé un dispositif permettant la mesure très précise (à quelques pourcents) des sections efficaces de réactions exclusives (n,xnγ). Ces mesures sont très précieuses car elles permettent de contraindre les modèles utilisés pour l’évaluation des sections efficaces de réaction (n,xn). Ces dernières jouent en effet un rôle important dans un réacteur car elles contribuent sensiblement à la diffusion et au ralentissement des neutrons rapides (quelques MeV), à leur multiplication, à la production de rayons gamma et d’isotopes radioactifs, et par conséquent ont un impact sur des paramètres de cœur comme la nappe de puissance ou le gain réflecteur.

La méthode expérimentale utilisée pour l’étude des processus (n,xn) est la spectroscopie gamma prompte couplée à la méthode du temps de vol afin de pouvoir réaliser les mesures auprès de faisceaux de neutrons « blancs » (ayant une distribution continue en énergie, par opposition aux neutrons monoénergétiques). L’IPHC a développé le dispositif GRAPhEME (GeRmanium array for Actinides PrEcise MEasurements) qui permet la détermination des sections efficaces (n,xn γ). Les campagnes de mesures sont actuellement réalisées auprès du faisceau de neutrons blancs de GELINA (JRC-EC-Geel, Euratom) et d’autres sont envisagées auprès de la future installation NFS-SPIRAL II (GANIL, Caen). Après l’étude récente des isotopes du tungstène et des actinides peu actifs comme l’uranium 238, 235 et le thorium 232, les prochains défis concernent l’uranium 233 et le plutonium 239 pour lesquels les défis d’analyse sont multiples : nombreuses voies d’analyse, bruit de fond important, long temps d’acquisition, …

Un enjeu important de ce type d’analyse est également la maitrise des incertitudes et l’estimation des corrélations. En effet le travail d’évaluation, en aval de la détermination des sections efficaces (n,xn γ), nécessite de maitriser parfaitement les caractéristiques de la mesure afin de bien estimer les biais résiduels. En outre la méthode de la spectroscopie gamma prompte est une méthode indirecte donnant accès aux sections efficaces de réaction (n,xn). Elle dépend notamment fortement des informations de structure disponibles pour le noyau étudié et/ou des performances des modèles théoriques utilisés pour pallier les informations manquantes. Tous ces aspects doivent donc être scrupuleusement étudiés, et leur impact estimé.

La proposition de sujet de thèse porte sur la détermination des sections efficaces (n,xn) de 233U, 238U et 239Pu à partir des mesures des sections efficaces de niveau (n,xnγ). Le travail d’évaluation concernera non seulement, les isotopes récemment mesurés ou en cours de mesures (233U et 239Pu), mais aussi l’238U. Concernant ce dernier, une attention particulière sera portée à la comparaison avec les modèles actuels ou en cours de développements, et sur l’estimation des incertitudes finales sur l’évaluation de la section inélastique totale. Ce dernier point est un véritable défi pour la thèse sachant qu’il faudra estimer l’impact des contributions visibles (n,n’γ) sachant qu’une partie des informations seront manquantes.

Afin de permettre au doctorant de se former non seulement aux aspects expérimentaux via l’obtention des sections efficaces (n,xn γ), mais également à la préparation de données nucléaires utiles à l’évaluation, son travail sera conjointement encadré par les équipes de l’IPHC, du CEA/DEN et DAM. En effet, l’équipe de l’IPHC possède le dispositif expérimental et l’expertise de l’analyse. L’équipe du CEA/DEN apportera ses compétences pour l’étude des incertitudes et l’estimation des corrélations ainsi que pour les études de sensibilité des cœurs de réacteurs aux réactions (n,xn γ) et (n,xn). Enfin, l’équipe du CEA/DAM encadrera plus particulièrement les tests des modèles théoriques.

Programme de travail :

Analyse 239Pu(n,xn g) - 20 mois - :

Prise en main du dispositif expérimental, développement/upgrade des programmes d’analyse de données au cas particulier de la mesure sur Pu239. Participation à la prise de données sur place à EC-JRC-Geel (prise de données prévues courant 2018, pendant au moins un an, plusieurs séjours d’une semaine sur place seront programmés). Identification des transitions gamma d’intérêt dans les spectres en énergie gamma. Extraction des premières sections efficaces. Comparaison aux prédictions des modèles théoriques.

Evaluation 238U - 10 mois - :

Comparaisons des modèles théoriques avec les expériences collectées. Estimations des incertitudes expérimentales. Estimation des données manquantes et impacts des incertitudes sur les données de structure. Evaluation finale des incertitudes sur la section efficace totale inélastique notamment.

Rédaction - 6 mois-

Références

From γ emissions to (n, xn) cross sections of interest : The role of GAINS and GRAPhEME in nuclear reaction modeling

M.Kerveno, A. Bacquias, C. Borcea, Ph. Dessagne, G. Henning, L.C.Mihailescu, A.Negret, M. Nyman, A.Olacel, A.J.M.Plompen, C. Rouki, G. Rudolf and J.C. Thiry et al,

Eur. Phys. J. A (2015) 51 : 167

Measurement of 235U(n,n’ γ) and 235U(n,2n γ) reaction cross sections

M.Kerveno, J.C.Thiry, A.Bacquias, C.Borcea, P.Dessagne, J.C.Drohé, S.Goriely, S.Hilaire, E.Jericha, H.Karam, A.Negret, A.Pavlik, A.J.M.Plompen, P.Romain, C.Rouki, G.Rudolf, M.Stanoiu

Physical Review C 87, 24609 (2013)

Progress in microscopic direct reaction modeling of nucleon induced reactions

M. Dupuis, E. Bauge, S. Hilaire, F. Lechaftois, S. Péru, N. Pillet, and C. Robin,

Eur. Phys. J. A (2015) 51 : 168

CONFERENCE avec PROCEEDING

How to produce accurate inelastic cross sections from an indirect measurement method ?

M. Kerveno, G.Henning, C. Borcea, Ph. Dessagne, M.Dupuis, S.Hilaire, A. Negret, M. Nyman, A. Olacel, E. Party, A. Plompen

4th International Covariance Workshop (CW2017) in Aix en Provence from October 2 to October 6 2017 - conférence invité - En préparation et à soumettre EPJ N

(n,xn g) cross sections on actinides versus reaction code calculations

Maëlle Kerveno, Antoine Bacquias, Francesca Belloni, Catalin Borcea, Roberto Capote, Philippe Dessagne, Marc Dupuis, Greg Henning, Stéphane Hilaire, Toshihiko Kawano, Nicolas Nankov, Alexandru Negret, Markus, Nyman, Eliot Party, Arjan Plompen, Pascal Romain, Charoula Rouki, Gérard Rudolf and Mihai Stanoiu

International Conference on Nuclear Data for Science and Technology 2016, 11-16 September 2016, Bruges, Belgium

Eur. Phys. J Web of Conferences 146, 11012 (2017)

Microscopic description of direct nucleon emission for neutron scattering off even and

odd actinides

Dupuis M., Péru S., Lechaftois F, Kerveno M., Dessagne P., Henning G., Bauge E., Hilaire S.

International Conference on Nuclear Data for Science and Technology 2016, 11-16 September 2016, Bruges, Belgium

Eur. Phys. J Web of Conferences 146, 12002 (2017)

Validation of the U-238 inelastic scattering neutron cross section through the EXCALIBUR dedicated experiment

Pierre Leconte, David Bernard

International Conference on Nuclear Data for Science and Technology 2016, 11-16 September 2016, Bruges, Belgium

EPJ Web Conf. 146 06017 (2017)

On the use of Bayesian Monte-Carlo in evaluation of nuclear data

Cyrille De Saint Jean, Pascal Archier, Edwin Privas, Gilles Noguere

International Conference on Nuclear Data for Science and Technology 2016, 11-16 September 2016, Bruges, Belgium

EPJ Web Conf. 146 02007 (2017)