Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 1 Physique Nucléaire pour les réacteurs du futur et.

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1 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 1 Physique Nucléaire pour les réacteurs du futur et autres nouvelles applications Sylvie LERAY CEA/Saclay, DAPNIA/SPhN Groupes de travail: J. Barreau, E. Berthoumieux, H. Safa, T. Kirchner Physique et Chimie pour l’Energie et l’Environnement

2 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 2  Le renouveau probable du nucléaire à plus ou moins long terme  Prise de conscience de l’effet de serre dû aux énergies fossiles  Accroissement de la demande des pays émergents  Epuisement des ressources fossiles  Potentiel limité des énergies renouvelables  La nécessité d’apporter des réponses convaincantes aux craintes concernant  la gestion des déchets  la sûreté  le contrôle de la non-prolifération Motivations générales

3 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 3 De nouveaux types de réacteurs  Incinérateurs d’actinides mineurs critiques ou sous- critiques  Réacteurs « Génération IV »  Plus économiques, optimisant les ressources  Plus sûrs  Produisant moins de déchets  Non proliférants  Eventuellement adaptés à production d’hydrogène, désalinisation eau de mer  Cycle du thorium  Fusion  De nouvelles méthodes nucléaires permettant  la caractérisation des matières nucléaires  le contrôle de la non-prolifération Motivations générales

4 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 4  Données neutroniques  Spallation et systèmes hybrides  Photofission et autres nouvelles applications Ce que propose les physiciens nucléaires dans ces domaines

5 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 5  Les besoins Augmentation de la durée de vie des réacteurs actuels (et GenIII) isotopes de l’U, Pu, AM présents en plus grandes quantités Exigence accrue de sûreté et d’économie précision plus grande (et connue) sur les données Transmutation des déchets dans des réacteurs critiques ou sous- critiques Sections efficaces capture, fission sur AM, données pour la sûreté (neutrons retardés) Nouvelles filières de réacteurs (GenIV) Caloporteurs, modérateurs différents, nouveaux combustibles, spectres différents : Sections efficaces capture, diffusion élastique Fusion Activation des matériaux Mesures neutroniques fondamentales

6 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 6 Réacteur de l’ILL (Grenoble) IL - 2 250 cm 180 cm H9 V4  Mesures intégrales dans des hauts flux de neutrons thermiques de dureté variable  Micro-chambres à fission  Spectroscopie α, β, γ  Spectrométrie de masse (AMS, ICPMS)  sections efficaces (n,γ) et (n,f)  potentiels d’incinération  Atouts  Accès aux isotopes à vie courte  Faibles masses d’échantillons  Maîtrise du flux de neutrons  Études en fonction de la dureté du spectre  max =1.5 10 15 n/cm 2 /s Mesures neutroniques fondamentales Les mesures intégrales à l’ILL

7 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 7  Programme  σ (n, γ) et (n,f) : 232 Th, 243-245 Cm, Bk, Cf  Potentiels d’incinération : 237 Np, 239 Pu, 241 Am, 243 Cm  Durée de vie des réacteurs, transmutation  Perspectives  Mesures σ pour nouveaux combustibles  Irradiations (50j ILL = 30 ans REP)  Gen IV (VHTR)  Mesures spectre β PF sur isotopes Pu, AM  Contrôle de la prolifération  Mesures neutrons retardés à LOHENGRIN  Sûreté des réacteurs Mesures neutroniques fondamentales Les mesures intégrales à l’ILL Spectromètre LOHENGRIN Particule TRISO pour GT-MHR

8 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 8  Mesures de sections efficaces différentielles en fonction de l’énergie par temps de vol  σ capture, fission : actinides, produits de fission, matériaux de structure  Réacteurs actuels, transmutation, réacteurs du futur  Dispositif n-TOF au CERN à partir de 2006  forte intensité instantanée mais faible cycle utile, gamme en énergie  adapté pour cibles radioactives  modification salle experimentale en labo classe A pour mesurer des échantillons très radioactifs ( 241 Am, 244, 245 Cm)  optimisation détecteur 4πBaF 2 pour mesurer isotopes fissiles Mesures neutroniques fondamentales Les mesures différentielles

9 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 9  GELINA (Geel)  flux intégré plus important  Pas adapté corps radioactifs  mesures (n,γ) et σ tot  rapports de branchements ( 209 Bi(n, γ) 210m,210g Bi)  Perspectives : installations futures  Sources très intenses mais basse résolution  Mesures d’isotopes très radioactifs et très faible masse (<1 mg). SPIRAL-II (2009) GSI, projet NUSTAR/NCAP (2012) Mesures neutroniques fondamentales Les mesures différentielles

10 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 10  Réactions de transfert Déterminer les sections efficaces de fission de 242,243,244 Cm et 241 Am à partir d’une cible d’ 243 Am auprès du Tandem d’Orsay. 243 Am( 3 He,pf) 245 Cm 244 Cm(n,f) 243 Am( 3 He,df) 244 Cm 243 Cm(n,f) 243 Am( 3 He,tf) 243 Cm 242 Cm(n,f) 243 Am( 3 He, 4 Hef) 242 Am 241 Am(n,f) Quantité de matière: 50 μg (activité: 3,7 10 5 Bq).  Mesures de distributions isotopiques des fragments de fission au GANIL en cinématique inverse 238 U+d 239 U+n +p détecté Perspectives: Réactions de fusion avec exotiques Cm Mesures neutroniques fondamentales Les mesures par réactions indirectes

11 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 11  Les réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateur Combustibles à haute teneur en actinides mineurs Quelques ADSR dans un parc de réacteurs critiques réduction significative de la radiotoxicité à long terme Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Proton Beam Spallation Target accelerator  Les étapes  EUROTRANS (2005-2009) Etude de faisabilité, démonstration expérimentale de certains composants, définition ETD (European Transmutation Demonstration)  XT-ADS démonstration couplage principaux composants (~50 MWth)  ETD/EFIT démonstration globale ( qq centaines de MWth)

12 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 12  Objectifs généraux: Maîtriser la réalisation de cibles de métaux liquides Optimiser les performances Estimer tenue des composants (fenêtre) Dossier de sûreté ADSR mais aussi production RIB, sources spallation Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Le module de spallation  Physique de la spallation des codes de simulation capables de prédire avec une précision connue n’importe quelle quantité relative aux réactions de spallation ) développement de cibles (MEGAPIE, TRADE, MYRRHA) tests en vraie grandeur, validation Cible MEGAPIE

13 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 13  Résultats préliminaires ISOLDE p + Pb-Bi 1400 MeV (L. Zanini, ND2004 Santa Fe) Xe Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Physique de la spallation  Modélisation Amélioration des modèles Inclusion des modèles dans les codes de transport (MCNPX)  Expériences  Validation Mesures à GSI

14 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 14 Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Physique de la spallation  Amélioration des modèles de désexcitation Production de gaz, dommages Physique de la production d’IMF, fission  Expériences plus exclusives nécessaires pour comprendre déficiences des modèles SPALADIN à GSI (2004-2007) limité à noyaux A  100 NUSTAR/R3B Aimant GLAD

15 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 15 Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Validation, réalisation de cibles Projet MEGAPIE (option fenêtre) Réalisation d’une cible au Pb-Bi liquide pour une puissance faisceau de 1MW 2006: irradiation 2007 – 2008: retour d’expérience Etudes sur :  mesures de flux  production des résidus  comportement des matériaux MEGAPIE à SINQ (PSI) Projet TRADE (option fenêtre) Réalisation d’une cible Ta solide 2008: cible dans le réacteur Etudes sur :  mesures de flux

16 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 16 Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Validation, réalisation de cibles Projet MYRRHA/XT-ADS (option sans fenêtre) Intégration cible dans un cœur sous- critique (~ 50 MWth) Etude neutronique Mesures de données nucléaires spécifiques en réponse à la demande des autorités de sûreté Analyse des incertitudes et impact sur le cœur Conception thermo-mécanique du module de spallation et de l’interface cible – accélérateur Instrumentation cible et cœur (mesures de flux) MYRRHA

17 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 17 Enjeux:  Caractérisation de matières nucléaires  Contrôle de la non-prolifération Méthode:  Interrogation photonique à distance  Mesures du spectre des anti-neutrinos Approche:  Des mesures fondamentales jusqu’à la validation Photofission et autres nouvelles applications

18 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 18 L’interrogation photonique à distance:  méthode non destructive  grande pénétration  sensibilité à émetteurs α, β faible énergie n « prompt » n retardés  « flash » Détecteur Element fissile: par ex 238 U E e = 40 – 100 MeV Photofission et autres nouvelles applications Caractérisation de matière nucléaire

19 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 19 Photofission et autres nouvelles applications Caractérisation de matière nucléaire  Evaluer la quantité d’actinides contenus dans les colis de déchets nucléaires  Reclassement d’une catégorie à une autre  Détecter des matières sensibles dans les bagages ou les conteneurs  Caractérisation des poussières recueillies lors de contrôle AIEA  contrôle de la non-prolifération Objectifs: Abaisser seuil de sensibilité: actuellement 17g Pu / 5t béton  200 mg Identification isotopique

20 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 20  Projet INPHO  Mesures fondamentales à Bruyères: spectres et taux de production neutrons retardés sur U, Pu, Am, Np, Th (2005- 2006), sensibilité aux neutrons prompts  Modélisation, bases de données (coll. LANL)  Identification et réduction du bruit de fond  Démontrer la faisabilité  Autres applications de la photofission: Production de noyaux exotiques Sources de neutrons: petits irradiateurs, réacteurs à β compensé Photofission et autres nouvelles applications Caractérisation de matière nucléaire

21 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 21 Les études sur la fission nous apprennent que les produits de fission de l’ 235 U et du 239 Pu sont différents (Q  )  les spectres sont donc différents Objectifs : Étudier la sensibilité de la mesure du spectre des anti-neutrinos pour les différents scenarii de prolifération envisagés par l’AIEA. Application à l’expérience « double – Chooz » Origine des anti-neutrinos: La désintégration  des produits de fission présents dans le réacteur : « prompt » ou retardée Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la prolifération

22 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 22 Sensibilité dans le cas de double-Chooz 235U: 56.8% 239Pu: 29.7 % ≈ 42000± 200 /10 j 235U: 62.4% 239Pu: 24.1% ≈ 41000 ± 200 /10 j Avec le noyau fissile: -Déplacement du spectre   -Variation du taux de comptage dans le détecteur + p  e + + n 2  (511 KeV)  de capture sur Gd Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la prolifération

23 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 23 Etudes proposées: Mesures des spectres  pour différents noyaux fissiles ( 235 U, 239 Pu, 241 Pu, 243 Cm) en fonction du temps de refroidissement, et pour différents temps d’accumulation des PF. –Étude du déplacement spectral (Q   f(t)) –Mesure des spectres « prompt »  Implantation d’un détecteur  dans le dispositif Mini-INCA de l’ILL Simulations de l’évolution de la composante neutrino du réacteur de Chooz –Variations temporelles de la réactivité (mesure avec des chambres à fission) –Variations spatiales du « centre de gravité » des fissions Étude de la sensibilité d’une telle méthode pour divers scenarii (réacteurs et combustibles) Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la prolifération

24 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPhN) Jounées Prospectives DAPNIA-IN2P3, La Colle-sur-Loup, 10-15 octobre 2004 24  Besoins accrus dans le domaine de l’énergie nucléaire et de l’environnement  Des projets cohérents allant du fondamental aux applications  Collaborations avec les autres acteurs du domaine (CEA, AIEA …..)  Collaborations internationales  Applications aux autres domaines  Mesures neutroniques: structure nucléaire, astrophysique  Spallation: astrophysique, spatial Un besoin de renforcement des équipes: Actuels: 28 Souhaités: 37 Conclusions