Physique et Chimie pour lEnergie et lEnvironnement Physique

Physique et Chimie pour l’Energie et l’Environnement Physique Nucléaire pour les réacteurs du futur et autres nouvelles applications Sylvie LERAY CEA/Saclay , DAPNIA/SPh. N CEA/Saclay, DAPNIA/SPh. N Groupes de travail: J. Barreau, E. Berthoumieux, H. Safa, T. Kirchner Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 1

Motivations générales Ø 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 Ø La nécessité d’apporter des réponses convaincantes aux craintes concernant § la gestion des déchets § la sûreté § le contrôle de la non-prolifération Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 2

Motivations générales ¢ De nouveaux types de réacteurs § Incinérateurs d’actinides mineurs critiques ou souscritiques § Réacteurs « Génération IV » Ø Plus économiques, optimisant les ressources Ø Plus sûrs Ø Produisant moins de déchets Ø Non proliférants Ø Eventuellement adaptés à production d’hydrogène, désalinisation eau de mer § Cycle du thorium § Fusion Ø De nouvelles méthodes nucléaires permettant § la caractérisation des matières nucléaires § le contrôle de la non-prolifération Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 3

Ce que propose les physiciens nucléaires dans ces domaines Ø Données neutroniques Ø Spallation et systèmes hybrides Ø Photofission et autres nouvelles applications Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 4

Mesures neutroniques fondamentales Ø Les besoins • Augmentation de la durée de vie des réacteurs actuels (et Gen. III) ¢ 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 souscritiques Sections efficaces capture, fission sur AM, données pour la sûreté (neutrons retardés) • Nouvelles filières de réacteurs (Gen. IV) Caloporteurs, modérateurs différents, nouveaux combustibles, spectres différents : Sections efficaces capture, diffusion élastique • Fusion Activation des matériaux Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 5

Mesures neutroniques fondamentales Les mesures intégrales à l’ILL Ø Mesures intégrales dans des hauts flux de neutrons thermiques de dureté variable IL - 180 cm § Micro-chambres à fission § Spectroscopie α, β, γ § Spectrométrie de masse (AMS, ICPMS) Ê sections efficaces (n, γ) et (n, f) Ê potentiels d’incinération Fmax=1. 5 1015 n/cm 2/s 2 V 4 H 9 Ø Atouts Ê Accès aux isotopes à vie courte Ê Faibles masses d’échantillons Ê Maîtrise du flux de neutrons Ê Études en fonction de la dureté du spectre Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 250 cm Réacteur de l’ILL (Grenoble) 6

Mesures neutroniques fondamentales Les mesures intégrales à l’ILL Ø 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 Ê Durée de vie des réacteurs, transmutation Ø Perspectives § Mesures σ pour nouveaux combustibles § Irradiations (50 j ILL = 30 ans REP) Ê Gen IV (VHTR) § Mesures spectre β PF sur isotopes Pu, AM Ê Contrôle de la prolifération § Mesures neutrons retardés à LOHENGRIN Ê Sûreté des réacteurs Particule TRISO pour GT-MHR Spectromètre LOHENGRIN Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 7

Mesures neutroniques fondamentales Les mesures différentielles Ø Mesures de sections efficaces différentielles en fonction de l’énergie par temps de vol § σ capture, fission : actinides, produits de fission, matériaux de structure Ê Réacteurs actuels, transmutation, réacteurs du futur Ø Dispositif n-TOF au CERN à partir de 2006 § forte intensité instantanée mais faible cycle utile, gamme en énergie § adapté pour cibles radioactives Ê modification salle experimentale en labo classe A pour mesurer des échantillons très radioactifs (241 Am, 244, 245 Cm) Ê optimisation détecteur 4πBa. F 2 pour mesurer isotopes fissiles Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 8

Mesures neutroniques fondamentales Les mesures différentielles Ø GELINA (Geel) § flux intégré plus important § Pas adapté corps radioactifs Ê mesures (n, γ) et σtot Ê rapports de branchements (209 Bi(n, γ)210 m, 210 g. Bi) Ø 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) Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 9

Mesures neutroniques fondamentales Les mesures par réactions indirectes Ø 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, 7 105 Bq). Ø 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 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 10

Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Ø 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 accelerator Proton Beam Spallation Target Ø 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) Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 11

Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Le module de spallation Ø 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 Ø 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 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 Cible MEGAPIE 12

Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Physique de la spallation Ø Expériences Ø Modélisation • Amélioration des modèles ¢ Inclusion des modèles dans les codes de transport (MCNPX) Ø Validation Xe Mesures à GSI Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 Ø Résultats préliminaires ISOLDE p + Pb-Bi 1400 Me. V (L. Zanini, ND 2004 Santa Fe) 13

Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Physique de la spallation Ø Expériences plus exclusives nécessaires pour comprendre déficiences des modèles ¢ SPALADIN à GSI (2004 -2007) limité à noyaux A 100 ¢ NUSTAR/R 3 B Aimant GLAD Ø Amélioration des modèles de désexcitation ¢ Production de gaz, dommages ¢ Physique de la production d’IMF, fission Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 14

Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Validation, réalisation de cibles Projet MEGAPIE (option fenêtre) ü Réalisation d’une cible au Pb-Bi liquide pour une puissance faisceau de 1 MW ü 2006: irradiation ü 2007 – 2008: retour d’expérience Etudes sur : Ø mesures de flux Ø production des résidus Ø comportement des matériaux Projet TRADE (option fenêtre) ü Réalisation d’une cible Ta solide ü 2008: cible dans le réacteur Etudes sur : Ø mesures de flux Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 MEGAPIE à SINQ (PSI) 15

Spallation et systèmes hybrides (ADSR) Validation, réalisation de cibles Projet MYRRHA/XT-ADS (option sans fenêtre) ü Intégration cible dans un cœur souscritique (~ 50 MWth) ü Etude neutronique ü Mesures de données nucléaires spécifiques en réponse à la demande des autorités de sûreté ü Analyse des incertitudes et impact sur le cœur ü Conception thermo-mécanique du module de spallation et de l’interface cible – accélérateur ü Instrumentation cible et cœur (mesures de flux) Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 MYRRHA 16

Photofission et autres nouvelles applications Enjeux: Ø Caractérisation de matières nucléaires Ø Contrôle de la non-prolifération Méthode: Ø Interrogation photonique à distance Ø Mesures du spectre des anti-neutrinos Approche: Ø Des mesures fondamentales jusqu’à la validation Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 17

Photofission et autres nouvelles applications Caractérisation de matière nucléaire L’interrogation photonique à distance: Ø méthode non destructive Ø grande pénétration Ø sensibilité à émetteurs α, β faible énergie Element fissile: par ex 238 U Ee = 40 – 100 Me. V g « flash » n « prompt » n retardés Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 Détecteur 18

Photofission et autres nouvelles applications Caractérisation de matière nucléaire Ø Evaluer la quantité d’actinides contenus dans les colis de déchets nucléaires Reclassement d’une catégorie à une autre Ø Détecter des matières sensibles dans les bagages ou les conteneurs Ø Caractérisation des poussières recueillies lors de contrôle AIEA contrôle de la non-prolifération Objectifs: • Abaisser seuil de sensibilité: actuellement 17 g Pu / 5 t béton 200 mg • Identification isotopique Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 19

Photofission et autres nouvelles applications Caractérisation de matière nucléaire Projet INPHO Ø Mesures fondamentales à Bruyères: spectres et taux de production neutrons retardés sur U, Pu, Am, Np, Th (20052006), sensibilité aux neutrons prompts Ø Modélisation, bases de données (coll. LANL) Ø Identification et réduction du bruit de fond Ø Démontrer la faisabilité Ø Autres applications de la photofission: • Production de noyaux exotiques • Sources de neutrons: petits irradiateurs, réacteurs à β compensé Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 20

Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la prolifération Origine des anti-neutrinos: La désintégration b des produits de fission présents dans le réacteur : « prompt » ou retardée Les études sur la fission nous apprennent que les produits de fission de l’ 235 U et du 239 Pu sont différents (Q ) b les spectres n 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 » Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 21

Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la prolifération Sensibilité dans le cas de double-Chooz + p e+ + n 2 g (511 Ke. V) g de capture sur Gd 235 U 239 Pu : 56. 8% : 29. 7 % ≈ 42000± 200 /10 j Avec le noyau fissile: -Déplacement du spectre b n 235 U 239 Pu : 62. 4% : 24. 1% ≈ 41000 ± 200 /10 j -Variation du taux de comptage dans le détecteur Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 22

Mesures des anti-neutrinos pour le contrôle de la prolifération Etudes proposées: • Mesures des spectres b 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 (Qb=f(t)) – Mesure des spectres « prompt » Implantation d’un détecteur b 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) Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 23

Conclusions Ø Besoins accrus dans le domaine de l’énergie nucléaire et de l’environnement Ø Des projets cohérents allant du fondamental aux applications Ø Collaborations avec les autres acteurs du domaine (CEA, AIEA …. . ) Ø Collaborations internationales Ø Applications aux autres domaines § Mesures neutroniques: structure nucléaire, astrophysique § Spallation: astrophysique, spatial ¢ Un besoin de renforcement des équipes: Actuels: 28 Souhaités: 37 Sylvie LERAY (DAPNIA/SPh. N) Jounées Prospectives DAPNIA-IN 2 P 3, La Colle-sur-Loup, 10 -15 octobre 2004 24