GIACRI-MAUBORGNE Marie-Laure CEA Saclay DSM/DANIA/SPhN giacri@cea.fr Production de neutrons par réactions photonucléaires et autres applications GIACRI-MAUBORGNE Marie-Laure CEA Saclay DSM/DANIA/SPhN giacri@cea.fr

Journées jeunes chercheurs 2003 Plan La physique des réactions photonucléaires La production de neutrons Transmutation des déchets radioactifs Détection d’actinides 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Journées jeunes chercheurs 2003 La physique U* Noyau excité Emission de neutrons n FP Fission e- +  U Bremsstrahlung Cible 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Journées jeunes chercheurs 2003 Les neutrons produits On a un maximum de neutrons si on envoie des photons de 15 MeV. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Le “problème” du Bremsstrahlung 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) 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Production 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. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Journées jeunes chercheurs 2003 Un coût réduit Les flux de neutrons sont moins intenses que les flux produits par spallation mais le coût est divisé par 3. H. Safa et al. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Les déchets nucléaires Les déchets nucléaires sont classés en trois catégories en fonction de leur activité et de leur durée de vie. TFA (très faible activité) FA et MA (faible et moyenne activité) HA (haute activité et vie longue) : stockage profond ou transmutation Stockage de surface 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Journées jeunes chercheurs 2003 La 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) 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

La transmutation des déchets : 137Cs 1 an d’irradiation dans un flux de 1017 .cm-2.s-1 7 ans de décroissance 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 A 1018 .cm-2.s-1 l’activité totale est divisée par 16 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

La transmutation des déchets : 90Sr Irradiation 1 an d’irradiation dans un flux de 1017 .cm-2.s-1 7 ans de décroissance Décroissance Naturelle (ref) Après traitement Flux équivalent neutrons Activité 1 0.7 2 1016nth.cm-2.s-1 / 1017nfast.cm-2.s-1 A 1018 .cm-2.s-1 l’activité est divisée par 20. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

La transmutation des déchets :93Zr 1 an d’irradiation dans un flux de 1017 .cm-2.s-1 7 ans de décroissance Décroissance Irradiation 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 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) 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Production de neutrons retardés par photofission 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. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Analyse non destructive de colis de déchet Neutrons prompts de fission Cible-convertisseur Electrons Photons Neutrons retardés 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. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Journées jeunes chercheurs 2003 Autres applications Production de faisceaux d’ions radioactifs Dopage de semi-conducteurs 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) 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003

Journées jeunes chercheurs 2003 Conclusion 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. 02/12/03 Journées jeunes chercheurs 2003