Les résultats de l'expérience de physique Chi-Nu au Laboratoire national de Los Alamos du Département américain de l'énergie fournissent des données importantes sans précédent pour améliorer les applications en matière de sûreté nucléaire, comprendre la sûreté-criticité et concevoir des réacteurs à neutrons rapides. Le projet Chi-Nu, une expérience de plusieurs années qui mesure le spectre énergétique des neutrons émis par la fission induite par les neutrons, a récemment achevé 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.

Jaime Gomez (à gauche) et Keegan Kelly ont mis en place l'expérience Chi-Nu, calibrant la distance du détecteur et installant des conduites de gaz pour la cible de comptage de fission (au centre). Source : Laboratoire national de Los Alamos

Keegan Kelly, physicien au Laboratoire national de Los Alamos, a déclaré : « La fission nucléaire et les réactions nucléaires en chaîne associées ont été découvertes il y a plus de 80 ans, et les expérimentateurs travaillent toujours pour fournir une image complète du processus de fission des principaux actinides. Tout au long du projet, nous avons observé des caractéristiques distinctes du processus de fission qui, dans de nombreux cas, n'avaient jamais été observées dans aucune expérience précédente.

La dernière étude Chi-Nu de l'équipe de Los Alamos sur l'isotope uranium-238 a été récemment publiée dans la revue Physical Review C. L'expérience a mesuré le spectre instantané des neutrons de fission de l'uranium-238 : l'énergie des neutrons induisant la fission - ceux qui frappent le noyau et le divisent - et la distribution d'énergie (spectre) potentiellement large des neutrons ainsi libérés. L'expérience Chi-Nu se concentre sur la fission « induite par des neutrons rapides », où les neutrons incidents ont des énergies allant jusqu'à des millions d'électrons-volts, et pour laquelle les mesures sont généralement rares.

Le physicien Keegan Kelly a installé une cible de comptage de fission pour l'expérience Chi-Nu, qui contient environ 100 milligrammes des actinides associés. L'appareil comprend 54 détecteurs de neutrons à scintillation liquide et 22 détecteurs en verre de lithium pour mesurer les neutrons dans différentes plages d'énergie. Source : Laboratoire national de Los Alamos

Données importantes pour les travaux liés à la fission

Parallèlement à des mesures similaires effectuées sur l'uranium 235 et le plutonium 239, les résultats de l'expérience Chi-Nu constituent désormais, dans de nombreux cas, la principale source de données expérimentales guidant les évaluations modernes des spectres de neutrons de fission transitoires. Ces données servent de base aux modèles nucléaires, aux calculs de Monte Carlo, aux calculs de performances des réacteurs, etc.

Les actinides et leurs éventuelles réactions en chaîne sont importants pour les armes nucléaires et les réacteurs énergétiques. (Les actinides font référence aux 15 éléments dont les numéros atomiques vont de 89 à 103. Ils sont tous radioactifs.) Lors d'une fission ou d'une division d'un noyau, plusieurs neutrons sont libérés, ce qui peut provoquer la fission des noyaux voisins, entraînant une réaction en chaîne. La probabilité de réactions ultérieures dans une réaction en chaîne dépend de l'énergie du neutron de fission.

Processus expérimental LANSCE

L'expérience Chi-Nu, menée au centre de recherche sur les neutrons d'armes du Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE), s'appuie sur des instruments de précision qui testent plusieurs gammes d'énergie. Le faisceau de protons LANSCE atteint la cible en tungstène et les neutrons produits suivent la trajectoire de vol en direction du dispositif Chi-Nu. Lorsque ces neutrons heurtent l'isotope de l'uranium 238, un événement de fission se produit, au cours duquel le noyau de l'uranium 238 se divise et est enregistré. En fonction de la plage d'énergie de l'expérience, les neutrons émis par l'événement de fission sont ensuite mesurés dans un ensemble de détecteurs à scintillateur liquide ou en verre au lithium, qui enregistrent tous deux l'éclair lumineux provoqué par les neutrons dans le détecteur.

applications futures

Les chercheurs continuent de dresser un tableau complet des isotopes des actinides. Dans le cadre de travaux adjacents financés par le Programme de criticité et de sûreté nucléaires, l'équipe de l'expérience Chi-Nu collecte et analyse actuellement des données sur le plutonium-240 et l'uranium-233.

Les travaux de mesure du Bureau des sciences expérimentales étant désormais terminés, l’équipe cherche à appliquer les compétences et les méthodes acquises grâce aux mesures des neutrons de fission aux mesures d’une gamme d’autres isotopes. Ils s’orientent également vers la mesure des neutrons émis par la réaction de diffusion des neutrons. Dans ces réactions, les neutrons traversent le matériau, déposant ainsi de l’énergie. En plus de mesurer l'énergie et les spectres angulaires des neutrons et des rayons gamma émis, la probabilité qu'une réaction se produise est également mesurée, souvent appelée section efficace de diffusion des neutrons.