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Auprès des réacteurs
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Diffusion
inélastique de neutrons sur l'uranium 235 |
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Les isomères nucléaires sont des états
excités dont la structure particulière induit un ralentissement
de la désexcitation vers l'état fondamental. Les réactions nucléaires
qui se produisent sur un noyau isomérique peuvent avoir des sections
efficaces très différentes de celles sur le même noyau dans son état
fondamental. Si ce noyau est fabriqué au cours d'une chaine de réactions
nucléaires, comme dans une étoile ou dans un réacteur nucléaire, les noyaux
produits en fin de chaine pourraient être présents en quantités différentes selon que
le noyau intermédiaire a réagi dans son état fondamental ou dans un état
isomérique.
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Actuellement, très peu de données existent sur les réactions sur
des états isomériques. Dans la plupart des cas, on fait l'hypothèse
que la probabilité de réaction sur un isomère est la même que
sur l’état fondamental, et on ne tient compte que des effets
de spin et de parité. Des données plus précises, couplées
à une bonne modélisation, sont nécessaires
pour obtenir une meilleure compréhension fondamentale
du processus de réaction.
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Un exemple de noyau possédant un état isomère est l'uranium 235. Cet isomère possède une
énergie d'excitation très faible de 76.8 eV et une durée de vie d'environ 27 minutes.
Cette expérience a pour objectif de mesurer la section efficace de formation de cet état
isomère à partir de l'état fondamental, par diffusion inélastique de neutrons de fission.
Cette section efficace est pour l'instant inconnue. Elle a été évaluée dans le Service de
Physique Nucléaire à environ 1 barn dans un spectre de neutrons de fissions. Le principe
de l'expérience consiste à préparer des échantillons d'uranium dont les masses sont d'environ
10 micro-gramme, à les irradier dans un réacteur pulsé, et enfin à compter le nombre d'électrons
émis par le dépôt.
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Décroissance des 235mU détectés |
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L'isomère de l'uranium 235 est complètement atypique puisque son énergie d'excitation n'est
que de 76,8 eV. Cette énergie est trop basse pour qu'il puisse émettre des rayonnements gamma.
Ainsi il décroît par conversion interne, c’est-à-dire par éjection d'un électron du cortège
électronique. On utilise un détecteur d’électrons composé d'un déviateur électrostatique,
qui ne dévie que les électrons de très basse énergie et d'un compteur d'électrons baptisé
channeltron. L'énergie de ces électrons est si faible que leur libre parcours moyen dans
le dépôt n’est que de 10 angstrœms. Cela complique singulièrement leur détection car ils
interagissent beaucoup avec le dépôt d'uranium et sont même sensibles à l'état de surface.
Ainsi, leur énergie est imprévisible et la seule signature de cet isomère est sa période
qui vaut environ 27 minutes. Une deuxième conséquence est que l’efficacité de détection
associée aux dépôts n’est pas du tout reproductible.
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Détecteur d'électrons Channeltron
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L’étape clé de l’expérience est la mesure de l’efficacité de détection pour chaque dépôt. Lors
de la préparation du dépôt, on y ajoute une quantité connue d'isomère de l'uranium 235. Ces
isomères sont obtenus à partir d'une source mère de plutonium 239 qui par décroissance alpha
forme à 100% cet isomère. Un comptage des électrons émis permet alors de mesurer la fraction
des électrons détectés, c’est-à-dire l’efficacité de détection.
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L'irradiation des dépôts d'uranium est faite dans le réacteur CALIBAN implanté sur le centre
CEA/DAM de Valduc. C'est un assemblage critique d'uranium 235 très enrichi. Les échantillons
sont disposés dans une cavité au centre de ce massif. Le réacteur fonctionne en mode pulsé
mono-coup et délivre une fluence neutron de l'ordre de 3.1014 neutron/cm2, sur une durée
d’environ 60 micro-secondes. Les échantillons sont récupérés environ une demi-heure après
le tir puis mis en place dans le détecteur d’électrons. La quantité d’isomères formée lors
du tir est alors déterminée grâce à la décroissance temporelle de l’isomère et la section
efficace peut être déduite de cette mesure.
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