Les résultats de l’expérience de physique Chi-Nu au Laboratoire national de Los Alamos ont fourni des données essentielles, jamais observées auparavant, pour améliorer les applications de sécurité nucléaire, comprendre la sûreté-criticité et concevoir des réacteurs à neutrons rapides. Le projet Chi-Nu, une expérience de plusieurs années mesurant le spectre énergétique des neutrons émis lors de la fission induite par les neutrons, a récemment conclu l’analyse d’incertitude la plus détaillée et la plus approfondie des trois principaux éléments actinides – l’uranium 238, l’uranium 235 et le plutonium. 239.
« La fission nucléaire et les réactions nucléaires en chaîne associées n’ont été découvertes qu’il y a un peu plus de 80 ans, et les expérimentateurs travaillent toujours pour fournir une image complète des processus de fission des principaux actinides », a déclaré Keegan Kelly, physicien au Laboratoire national de Los Alamos. « Tout au long de ce projet, nous avons observé des signatures claires de processus de fission qui, dans de nombreux cas, n’avaient jamais été observées lors d’expériences antérieures. »
La dernière étude Chi-Nu de l’équipe de Los Alamos, sur l’isotope uranium-238, a récemment été publié dans Examen physique C. L’expérience a mesuré le spectre des neutrons de fission rapide de l’uranium 238 : l’énergie du neutron provoquant la fission (le neutron qui s’écrase sur un noyau et le divise) et la distribution d’énergie potentiellement large (le spectre) des neutrons libérés en conséquence. . Chi-Nu se concentre sur la fission « induite par des neutrons rapides », avec des énergies de neutrons incidents en millions d’électrons-volts, pour lesquelles il y a généralement très peu de mesures.
Données essentielles pour les travaux liés à la fission
Avec des mesures similaires sur l’uranium 235 et le plutonium 239, les résultats des expériences Chi-Nu constituent désormais, dans de nombreux cas, la source dominante de données expérimentales guidant les efforts modernes d’évaluation du spectre des neutrons à fission rapide. Les données éclairent les modèles nucléaires, les calculs de Monte Carlo, les calculs de performances des réacteurs et bien plus encore.
Les éléments actinides et les réactions en chaîne qu’ils peuvent subir sont importants pour les armes nucléaires et les réacteurs énergétiques. (Les actinides sont les 15 éléments, tous radioactifs, avec un numéro atomique de 89 à 103.) Lorsqu’un noyau subit une fission ou se divise, plusieurs neutrons sont libérés, induisant potentiellement une fission dans les noyaux voisins pour créer la réaction en chaîne. La probabilité de réactions ultérieures dans la chaîne dépend de l’énergie des neutrons de fission.
Réalisée au centre de recherche sur les neutrons d’armes du Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), l’expérience Chi-Nu s’appuyait sur un appareil sophistiqué testant plusieurs gammes d’énergie. Le faisceau de protons LANSCE frappe une cible en tungstène, générant des neutrons qui se déplacent le long d’une trajectoire de vol vers l’appareil Chi-Nu. Lorsque ces neutrons heurtent l’isotope de l’uranium 238, un événement de fission, ou division du noyau de l’uranium 238, peut se produire et est enregistré.
Les neutrons émis lors de l’événement de fission sont ensuite mesurés dans les réseaux de scintillateurs liquides ou de détecteurs en verre de lithium, en fonction de la plage d’énergie de l’expérience, les deux détecteurs enregistrant les éclairs de lumière induits dans les détecteurs par les neutrons.
Applications futures des compétences Chi-Nu
Les chercheurs continuent de dresser un tableau complet des isotopes des actinides. Dans le cadre de travaux adjacents, l’équipe expérimentale Chi-Nu collecte et analyse actuellement des données sur le plutonium-240 et l’uranium-233.
Et maintenant que les mesures du Bureau des sciences expérimentales sont terminées, l’équipe cherche à appliquer les compétences et les méthodologies acquises grâce aux mesures des neutrons de fission à une série d’autres isotopes. Ils orientent également leurs efforts vers la mesure des neutrons émis lors de réactions de diffusion de neutrons.
Dans ces réactions, les neutrons se déplacent à travers un matériau tout en déposant de l’énergie. L’énergie et les spectres angulaires des neutrons et des rayons gamma émis sont mesurés ainsi que la probabilité que la réaction se produise, généralement appelée section efficace de diffusion des neutrons.
Plus d’information:
KJ Kelly et al, Mesure du spectre des neutrons de fission rapide U238 (n, f) de 10 keV à 10 MeV induit par des neutrons d’énergie de 1,5 à 20 MeV, Examen physique C (2023). DOI : 10.1103/PhysRevC.108.024603