Applications environnementales de l'étude métrologique des réactions photonucléaires sur les éléments légers.

Le LNHB est en train de développer au travers d'une thèse et d'un projet financé par le LNE, un prototype de détection des matières illicites en utilisant la méthode d’interrogation photonique active et basé sur la spectrométrie des photoneutrons émis par des cibles irradiées par un accélérateur linéaire d'électron. Ce nouveau sujet de thèse consiste à étudier les réactions photonucléaires sur des éléments légers pour des applications environnementales, en premier au travers d'une meilleure compréhension des photoneutrons, neutrons secondaires et des taux de production de radionucléides cosmogéniques produits dans l'atmosphère lors des flashs de rayons gamma terrestres associés aux orages ou des sursauts gamma d'origine cosmique. L'installation expérimentale unique du LNHB-MD sera utilisée pour obtenir des données nucléaires de base tels les distributions angulaires et en énergie des photoneutrons émis par des d'éléments légers ainsi qu'une caractérisation des produits d'activation. Les données recueillies permettront d'améliorer la description des processus photonucléaires pour les éléments légers dans les codes Monte-Carlo et d'estimer leur influence sur des grandeurs mesurables au travers de codes de simulation de phénomènes environnementaux. La même méthodologie pourra être appliquée pour l'étude des réactions photonucléaires ayant lieu dans les roches - composées principalement d'éléments légers - suite à l'irradiation par des photons de haute énergie d'origine naturelle ou artificielle, ceci pour la détection de minéraux et la détermination d'albédo neutron.

Développement d’un dispositif de mesure par coïncidences neutron/gamma pour la caractérisation de sources neutrons type XBe

Ce travail de recherche s’inscrit dans le cadre des activités d’étalonnages de sources neutroniques au LNHB et de R&D au sein du SIMRI - CEA/LIST, visant à développer des chaînes de mesures neutroniques pour le CEA et pour l’industrie nucléaire. L’objectif du travail de thèse est de développer un dispositif de mesure compact par coïncidences neutron/gamma afin d’améliorer la caractérisation des sources de type XBe – réaction (alpha,n) ou mixtes (alpha,n) et fission spontanée. On peut citer par exemple : américium-béryllium, plutonium-béryllium, curium-béryllium, ou encore des sources exotiques de forte émissivité et mélangeant plusieurs radionucléides alpha (ex. américium-plutonium-béryllium). Pour cette famille de sources, l’émission de neutron par réaction (alpha,n) s’accompagne de l’émission simultanée d’un photon gamma caractéristique à 4,4 MeV. La détection du neutron et du gamma en coïncidence est susceptible d’apporter une information d’intérêt dans le processus de caractérisation de la source, que ce soit pour la mesure du débit d’émission neutronique ou pour la détermination du spectre en énergie des neutrons. Il s’agit de mesurer précisément les signatures gamma et neutrons ainsi que les rapports d’intensité gamma/neutron issus des réactions conduisant à l’émission d’un neutron. Le dispositif devra être capable de mesurer également les neutrons émis par réaction de fission spontanée ou par réaction (n,2n) dans le béryllium. D’autres émissions photoniques sont également susceptibles de fournir des informations d’intérêts, par exemple, l’émission d’un gamma à 2,2 MeV issue d’une réaction de capture sur l’hydrogène. Les mesures de coïncidences neutron/gamma serviront aussi à améliorer l’évaluation des données nucléaires comme les sections efficaces de captures de certains éléments d’intérêts, ex. réaction (n,gamma) sur l’oxygène ou sur l’hydrogène.

Mesure de la distribution complète des fragments de fission isotopiques du 241Pu en utilisant la cinématique inverse à GANIL avec VAMOS et PISTA

La technique de la cinématique inverse est utilisée au GANIL pour produire la fission dite en vol. Le système fissionant accéléré est excité par une réaction nucléaire, et en particulier par une réaction de transfert de nucléons entre le faisceau et la cible. Les fragments de fission sont donc émis aux angles avant dans le laboratoire à cause du boost cinématique de la réaction. Le spectromètre magnétique à large acceptance VAMOS est utilisé pour identifier en masse et en charge nucléaire les différents fragments alors que les télescopes silicium sont utilisés pour caractériser le système fissionant en détectant l'éjectile émis par la réaction de transfert.
Le projet fission@VAMOS consiste en l'amélioration du système de détection silicium utilisé pour identifier le système fissionnant produit par réaction de transfert. Le dispositif actuel est donc un ensemble de télescope silicium hautement segmenté appelé PISTA qui permet d'améliorer la sensibilité et la précision des conditions de formation du système fissionant (masse, nombre atomique, énergie d'excitation).
Le sujet de thèse propose donc une étude détaillée multi-paramétrique de la fission avec un focus sur la mesure des rendements de fission du système fissionnant 242Pu (n+241Pu). Enfin une grosse partie du travail consistera en l'analyse des données et de leur interprétation, puis de leur publication.

Implémentation de la QRPA covariante pour décrire les noyaux atomiques déformés

Toutes choses étant égales par ailleurs, quelles différences peut-on attendre du choix d’une interaction relativiste ou non dans la description QRPA des états excités du noyau atomique ? Afin de répondre à cette question l’étudiant(e) disposera d’une part d’outils numériques permettant de résoudre pour une interaction non-relativiste les équations QRPA de façon matricielle et d’autre part d’un solveur utilisant la méthode des amplitudes finies pour produire des fonctions de réponse QRPA avec des interactions relativistes.
Ces outils numériques sont performants sur super-calculateurs et largement exploités aussi bien pour répondre à des problématiques de données nucléaires et d’astrophysique que pour mener des études de structure nucléaire académiques. L’extension relativiste du solveur QRPA matriciel permettra de transférer toute l’expertise de production des données nucléaires au cas des interactions issues de lagrangiens relativistes. Ainsi, une analyse des mérites respectifs des deux fonctionnelles pourra être menée et exploitée en vue de la mise au point d’interactions effectives de nouvelle génération.

Développement d’une méthode de propagation d’incertitudes de type fonctionnel sur la puissance résiduelle

La caractérisation de l’énergie dégagée par la désintégration des radionucléides présents dans le combustible usé et déchargé des réacteurs est essentielle pour le design, la sûreté et l’analyse du stockage, du transport et des systèmes de dépôt. Peu de mesures de cette puissance résiduelle sont aujourd’hui disponibles. En outre, les valeurs expérimentales disponibles ne permettent pas de couvrir l’étendue des possibilités de combinaisons entre paramètres (taux de combustion au moment du déchargement – enrichissement en 235U – temps de refroidissement – paramètre de design du combustible – conditions opérationnelles – applications spécifiques). L’estimation de la puissance résiduelle est donc principalement basée sur des simulations.
L’évaluation de l’incertitude associée à l’estimation de la puissance résiduelle revêt un aspect important dans l’objectif d’accéder à une prédiction fiable. De nombreux efforts ont été menés afin de bien évaluer les biais et incertitudes venant des données nucléaires telles que les sections efficaces, paramètres importants en entrée des simulations. En revanche, les études concernant les incertitudes de nature épistémique (incertitude de fabrication de certains composants, erreur de lecture ou de réglage de structures mobiles, ….) sont plus rares. Parmi ces dernières, on peut distinguer le traitement de dépendances complexes de paramètres d’entrée de type scalaire, bien pris en compte aujourd'hui, du traitement de dépendances fonctionnelles (s’exprimant sous forme d’une fonction), très peu exploré.
En particulier, l’historique d’exploitation du cœur regroupe sous une dépendance fonctionnelle plusieurs quantités inter-corrélées (puissance de fonctionnement, mouvement des absorbants, évolution du cœur, …), amenées à être modifiées en fonction du temps et impactant la valeur de nombreux observables d’intérêt dont la puissance résiduelle. Les modèles utilisés aujourd’hui dans les outils de simulation utilisés à l’échelle industrielle ne permettent pas d’estimer cet impact et de proposer un niveau d’incertitude validé.

Dans ce travail de thèse, on se propose d’étudier l’impact sur la puissance résiduelle des incertitudes associées aux paramètres d’entrée présentant des dépendances fonctionnelles. On se focalisera tout particulièrement sur l’historique d’irradiation des réacteurs (à eau) et les paramètres corrélés. Une première partie sera dédiée au développement d’un modèle de substitution pour l’estimation de la puissance résiduelle et la quantification des incertitudes des variables aléatoires fonctionnelles. Une deuxième partie sera consacrée au développement d’une méthode d’analyse de sensibilité pour le modèle de substitution développé. Enfin, une troisième partie concernera le développement d’une méthode inverse de quantification des incertitudes des paramètres de modélisation opérationnels.
Le doctorant sera hébergé dans une unité de recherche en physique des réacteurs de l'institut CEA IRESNE situé à Cadarache où il collaborera avec d’autres doctorants et spécialistes du domaine.

Intelligence artificielle pour la mesure de masse de précision d’isotopes exotiques

L'objectif de cette thèse de doctorat est d'améliorer la précision des mesures de masse des isotopes exotiques produits par le Super Spectrometer Separator (S3) à GANIL-SPIRAL2, en utilisant des techniques d'acquisition de pointe qui intégrent l'intelligence artificielle. Les capacités du spectromètre de masse à temps de vol PILGRIM pourront être pleinement exploitées par un développement collaboratif du système d'acquisition FASTER au LPC Caen.

RECHERCHE DE LA DÉSINTÉGRATION NUCLÉAIRE EN DEUX PHOTONS

La désexcitation nucléaire en deux photons, c.à.d. la décroissance par émission de deux rayons gamma, est un mode de désexcitation rare du noyau atomique, au cours duquel un noyau excité émet deux rayons gamma simultanément pour revenir à l’état fondamental. Les noyaux pair-pair ayant un premier état excité 0+ sont des cas favorables pour rechercher la décroissance double gamma puisque l’émission d’un seul rayon gamma est strictement interdite pour les transitions 0+ -> 0+ par conservation du moment angulaire. Cette décroissance présente toujours un très petit rapport d’embranchement (<1E-4) en comparaison avec les autres modes de désexcitation possibles, soit par l’émission d’électrons de conversion interne (ICE) soit la création de paires positron-électron (e+-e-) (IPC). Nous utiliserons donc une nouvelle technique pour rechercher la décroissance double gamma: l’étude de la désexcitation d’un état isomérique 0+ de basse énergie dans les ions nus, c.-à-d. entièrement épluchés de leurs électrons atomiques. L’idée de base de l’expérience est de produire, sélectionner et stocker les noyaux dans leur état isomérique 0+ dans l’anneau de stockage de l’installation GSI en Allemagne. Lorsque le noyau est entouré du cortège électronique l’état 0+ excité est un état isomérique à durée de vie assez courte, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanosecondes. Toutefois, aux énergies relativistes disponibles à GSI, tous les ions sont entièrement épluchés de leurs électrons atomiques et la désexcitation par ICE n’est donc pas possible. Si l’état d’intérêt est situé en dessous du seuil de création de paires, le processus IPC n’est pas possible non plus. Par conséquent, les noyaux nus sont piégés dans un état isomérique de longue durée de vie, qui ne peut se désintégrer que par émission de deux rayons gamma vers l’état fondamental. La désexcitation de l’isomère serait identifiée par spectroscopie de masse Schottky (SMS) à résolution temporelle. Cette méthode permet de distinguer l’isomère de l’état fondamental par la (très légère) différence de leur temps de révolution dans l’ESR, et d’observer la disparition du pic de l’isomère dans le spectre de masse avec un temps de décroissance caractéristique. Après une première expérience réussie qui a fait preuve de la décroissance double gamma dans l'isotope 72Ge une nouvelle expérience a été accepté par le comité d’expériences de GSI et son réalisation est prévu en 2024.

Etude de la magicité et des forces nucléaires dans le noyau de 68Ni

Nous proposons d’étudier le caractère magique ou superfluide du noyau de 68Ni par réactions d’ajout et de retrait de neutrons (d,p) et (p,d). Celles-ci vont également permettre d’étudier l’interaction spin-orbite dans ce noyau riche en neutron, pièce essentielle à la compréhension des forces nucléaires et des noyaux magiques. Le 68Ni sera produit à l’aide du spectromètre LISE au GANIL et la trajectoire des noyaux, les rayonnements gamma émis, ainsi que les protons et deutons signant le transfert sont tous détectés.

Écorces d’étoiles à neutrons à température finie

Nées chaudes de l'explosion de supernovae, les couches extérieures (l’écorce) des étoiles à neutrons (EN) sont initialement constituées d'un milieu composé de diverses espèces nucléaires. Une étude théorique de l’écorce de l’EN à température finie sera effectuée, focalisée sur le traitement des noyaux dans le milieu dense de l’écorce. Ce modèle sera employé pour calculer l’équation d’état et la composition de l’écorce, et utilisé pour prédire des propriétés nécessaires pour la modélisation globale d’EN.

Théorie unifiée de la structure nucléaire et des réactions dans le cadre du système quantique ouvert

Les noyaux faiblement liés ou résonnants jouent un rôle important dans divers processus stellaires de nucléosynthèse. La compréhension globale de ces noyaux nécessite une description correcte du continuum multiparticulaire. Il est proposé d'étudier des réactions complexes d'intérêt astrophysique et des résonances étroites proches du seuil qui jouent un rôle crucial dans la nucléosynthèse d'éléments plus lourds, en utilisant le modèle Gamow Shell dans la représentation des canaux couplés.

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