Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy1 / 114 7 décembre 2011 Introduction à la session “ Physique Nucléaire et Applications”

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1 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy1 / 114 7 décembre 2011 Introduction à la session “ Physique Nucléaire et Applications” Sébastien Chabod LPSC-UJF Grenoble 1-CNRS/IN2P3-INPG

2 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy2 / 114 7 décembre 2011 Du laboratoire au réacteur en 10 ans 1932 découverte du neutron, Chadwick 1932 – 1933 - découverte du deutérium, Urey - accélération du premier faisceau de deutérium pour la production des faisceaux de neutrons, Lawrence 1934Radioactivité artificielle induite par alpha (Po), Joliot-Curie 1934 processus de ralentissement des neutrons, Fermi 1934 – 1938 : transmutation induite par neutrons 1938 découverte expérimentale de la fission, par Hahn et Strassman interprétation du mécanisme de fission, par Meitner et Frisch 1939 – 1940 - mesure et calcul du dégagement d’énergie lors d’une fission - mise en évidence que seul l’U235 est fissile dans la nature - émission de 2-3 neutrons par fission de l’U235  Idées de la réaction en chaîne, du réacteur et de la bombe

3 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy3 / 114 7 décembre 2011 La réaction en chaîne Noyau 235 U Fission Et ainsi de suite… 2 fissions Fission 4 fissions8 fissions Temps de thermalisation des neutrons ~ 1 ms  en 100 ms, 2 100 fissions = 10 30 fissions  dégagement rapide et important d’énergie 200 MeV par fission, 160 MeV pour les PFs

4 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy4 / 114 7 décembre 2011 1939 – Lettre d’Einstein à Roosevelt

5 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy5 / 114 7 décembre 2011 1942 – Projet Manhattan et Chicago Pile 1 Compton : « le navigateur italien a atterri dans le nouveau monde » Conant : « et comment se sont comportés les Indigènes ? » Compton : « fort bien » Georges Weil Liquid control squad Fermi, Compton, Szilard Wigner, Zinn, Anderson, etc. Norman Hilberry SCRAM

6 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy6 / 114 7 décembre 2011 Les premiers réacteurs : fabriquer du Pu pour la bombe Windscale reactor (UK, 1950)

7 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy7 / 114 7 décembre 2011 Réacteurs de 2 ème génération Shippingport reactor (USA, 1957) USS Nautilus (1955)

8 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy8 / 114 7 décembre 2011 Zoe (1948) Chinon A1 (1963) UNGG Fessenheim 1 (1977) REP Industrialisation du nucléaire en France Pile Zoe (1947) UO 2 + D 2 O Le nucléaire est donc devenue industrie Pour autant, tout a-t-il déjà été fait en physique nucléaire ?

9 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy9 / 114 7 décembre 2011 Partie I Recherches sur la structure de la matière nucléaire

10 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy10 / 114 7 décembre 2011 Structure de la matière nucléaire Quelques objectifs de cette discipline Ex: Prédire les niveaux quantiques des nucléons dans les noyaux Simuler les mouvements collectifs de nucléons, tels que la fission Un programme ambitieux, car … 1) Contrairement à la force électromag., l’expression de la force inter- nucléon n’est pas connue. 2) Les noyaux peuvent rassembler plusieurs dizaines de nucléons = Problème à N corps Pas de solution analytique non plus Exemple de problème à N corps

11 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy11 / 114 7 décembre 2011 Structure de la matière nucléaire En attendant, développement de forces/potentiels effectifs  paramètres ajustés sur des données expérimentales  marchent pas trop mal pour les noyaux pas trop instables, évidemment moins au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la stabilité Objectif : Tester les limites des modèles et les affiner en étudiant des noyaux exotiques

12 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy12 / 114 7 décembre 2011 Structure de la matière nucléaire Matières nucléaires dans des états extrêmes noyaux exotiques = noyaux pathologiques (trop riches en n ou p pour être stable) Que font les structuristes avec ces noyaux exotiques ? i) Déformations des noyaux riches en n ou en p Excès important de neutrons ou de protons => formes de soucoupe, cigare, poire, etc. Ex : 43 S : fondamental fortement allongé, isomère presque sphérique Qd ces états sont très proches et se mélangent  coexistence de forme ii) Noyaux à halo ( 6 He, 11 Li, 11 Be, etc.), clusters, peau de neutrons Halo : 6 He. Ses 2 neutrons supplémentaires sont-ils associés (= di-neutron) ou non (i.e. « localisés » de part et d’autre de l’alpha = cigare) ? Clusters : dans certains états excités, 12 Be  2 6 He ou 12 C  3 4 He

13 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy13 / 114 7 décembre 2011 Amélioration des bases de données (interface structure/énergie) i) Mesures de sections efficaces (diffusion, capture, fission, etc.) Nécessaires pour : - le développement des réacteurs nucléaires (ex : filière thorium) - la transmutation des déchets nucléaires (ex : incinération de l’Am) - l’astrophysique nucléaire (nucléosynthèse) ii) Mesures de rendements de fission et de spallation - la gestion des déchets nucléaires (chaleur résiduelle, radiotoxicité) - la sûreté des réacteurs (chaleur résiduelle, empoisonnement) - les faisceaux d’ions radioactifs (ex : EURISOL) Problème : les modèles les prédisent rarement à mieux qu’un x10 près … Présentation de Charlotte AMOUROUX : « Mesure des rendements de fission de l’Am 242 » Structure de la matière nucléaire

14 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy14 / 114 7 décembre 2011 Installations : GANIL, ILL, CERN, MSU, RIKEN, GSI, etc. Structure de la matière nucléaire ILL Niveau D ILL niveau CILL niveau D SPIRAL 2

15 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy15 / 114 7 décembre 2011 Partie II Recherches en médecine nucléaire

16 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy16 / 114 7 décembre 2011 Médecine nucléaire Objectif : retourner les effets nocifs des radiations à notre avantage, pour tuer des cellules cancéreuses en les irradiant Les milles vertus de l’atome…

17 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy17 / 114 7 décembre 2011 Médecine nucléaire Plusieurs gros projets actuellement en cours i) Mise en service de machines de traitement Notamment en hadronthérapie  utilisation du pic de Braag pour localiser le dépôt d’énergie Ex : Projet ETOILE (Lyon) --- Traitement avec des ions carbone ii) Production de radio-isotopes pour le médical Production de noyaux radioactifs émetteurs β-, β+ ou alpha Ex : cyclotron ARRONAX (Nantes)  injectés à un patient - émetteurs β- (ex : 131 I) : se fixent sur la zone à traiter, déposent la dose - émetteurs β+ (ex : 64 Cu) : localiser et quantifier le dépôt de dose Présentation de Thomas SOUNALET : « Elaboration de cibles dédiées à la production de radio-isotopes innovants pour la recherche médicale »

18 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy18 / 114 7 décembre 2011 Médecine nucléaire Autres sujets importants en médecine nucléaire i) Instrumentation et imagerie Ex : dosimétrie pour quantifier le flux de radiations délivré à un patient lors d’un examen ii) Données nucléaires Mesures de sections efficaces C sur N, H, O pour la hadronthérapie Ex : projet ARCHADE (Caen, Ganil) iii) Développement de codes de calcul Mettre au point des codes Monte-Carlo capables de calculer précisément la dose délivré à un patient. Première radio : main d’Anna Röntgen

19 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy19 / 114 7 décembre 2011 Médecine nucléaire ARRONAX (cf. talk de Thomas)

20 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy20 / 114 7 décembre 2011 Partie III Recherches sur l’énergie nucléaire

21 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy21 / 114 7 décembre 2011 Energie nucléaire 2015?? Léger retard… 2015 Retour vers le futur 2

22 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy22 / 114 7 décembre 2011 D’un côté … Un réacteur académique a toujours les caractéristiques suivantes : 1) Il est simple. 2) Il est petit. 3) Il est pas cher. 4) Il est facile d’utilisation. 5) Il peut être construit rapidement. 6) Il est flexible. 7) Il demande peu de R&D, les composants étant sur étagère. 8) Par contre, le réacteur est toujours en cours d’étude… Pourquoi ce retard ? Voici la réponse de l’amiral Rickover Il y a une différence entre réacteurs papier et réacteurs réels Energie nucléaire De l’autre côté … Un réacteur réel se distingue par les caractéristiques suivantes : 1)Il est en cours de construction. 2)D’ailleurs, il y a de gros retards sur le planning de construction. 3) Il demande un énorme effort de R&D sur des aspects triviaux. 4) Il est cher. 5) Il est gros. 6) Il est encombrant. 7) Il est complexe. 8) construit sur une côte japonaise.

23 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy23 / 114 7 décembre 2011 Master 1 - ITDD – O. Méplan23 Où en sont les recherches sur les réacteurs nucléaires ? Petit détour par Darwin, The origin of species, 1859 If a specie does not become modified and improved in a corresponding degree with its competitors, it will soon be exterminated Energie nucléaire

24 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy24 / 114 7 décembre 2011 Energie nucléaire Fukushima… Feuilles vertes Pousses prometteuses

25 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy25 / 114 7 décembre 2011 Energie nucléaire Amélioration des réacteurs actuels (Gen II, III) i) Développement de meilleurs combustibles nucléaires Ex : filière thorium (cycle : 233 U / 232 Th)  production moindre d’A.M. Ex : économie d’uranium 235  régénération / surgénération ii) Gestion des déchets nucléaires Loi de 2006  Séparation (A.M.) / Transmutation (RNR, ADS) / Stockage (ANDRA) iii) Résistance des matériaux Corrosion, endommagement dû à l’irradiation Ex : résistance à l’irradiation des cuves de réacteurs = durée de vie des REP Présentation de Benoît MARCHAND : « Etude de la mobilité du xénon dans le dioxyde d’uranium »

26 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy26 / 114 7 décembre 2011 Energie nucléaire Développement des réacteurs du futur i) Développement des réacteurs de Génération IV Buts : améliorer la sûreté, résistance à la prolifération, moindre production de déchets, économie d’U235, réduction des coûts de construction/exploitation VHTR, RESC, MSFR, RNR-gaz, RNR-Na (ASTRID), RNR-Pb ii) Réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateurs (ADS) Ex : projet GUINEVERE (SCK-CEN, CNRS, CEA, mesure en ligne de rho)  réacteur rapide au plomb, VENUS, alimenté par l’accélérateur GENEPI-3 Ex : réacteur MYRRHA (Belgique, 2020, réacteur d’irradiation) iii) La fusion nucléaire Recherches actuellement menées dans le cadre du projet ITER (instrumentation, résistance des matériaux, etc.)

27 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy27 / 114 7 décembre 2011 Et maintenant : « Mesure des rendements de fission de l’Am 242(m) grâce au spectromètre LOHENGRIN de l’ILL » Par Charlotte Amouroux

28 Session “Physique nucléaire et applications” JRJC 2011, S. Chabod, Annecy28 / 114 7 décembre 2011 [1] Y. Arnoux, D. Heuer, E. Merle-Lucotte, A. Nuttin, private communication [2] O. Méplan, cours “Petite histoire naturelle des réacteurs nucléaires” [3] R. Barjon, Physique des réacteurs nucléaires Sources utilisées pour cette présentation