Les propriétés de décroissance β- des produits de fission sont importantes pour la simulation du spectre d’antineutrinos émis par les réacteurs (importants pour les projets Double Chooz, Nucifer et Solid) et pour le calcul de la puissance résiduelle des réacteurs à l'arrêt. La puissance résiduelle, comme les neutrinos, est générée dans les cœurs par la décroissance bêta des produits de fission. Elle représente ~7% de la puissance nominale du réacteur et sa production continue aussi après l’arrêt des réactions de fissions. Son estimation précise est, donc, importante pour une bonne gestion du combustible et pour augmenter la sûreté des réacteurs.
Un projet experimental a démarré en Janvier 2009, avec la participation de membres du groupe ERDRE et une équipe de Valencia (J.-L. Tain et A. Algora) à une réunion organisée par l'AIEA à Vienne sur la possibilité d’améliorer le calcul de la puissance résiduelle en re-mesurant avec la méthode TAS (Total Absorption Spectroscopy) certain noyaux sélectionnés [1]. Cette réunion a été le point départ d'une collaboration entre les deux groupes pour identifier et mesurer les produits de fission qui sont intéressants à la fois pour la puissance résiduelle, à la fois pour les antineutrinos et, dans la plus part des cas, pour les deux.
Figure 1 : detecteur TAGS (gauche) installee à l’accélérateur de Jyväskylä (droite)
Dans le cadre de ce projet, en novembre 2009, une partie du groupe a participe à des mesures de décroissance bêta de noyaux intéressants sélectionnés par l'équipe de chercheurs de Valencia et l’équipe de SUBATECH. Ces mesures ont été effectuées aupres de l’accélérateur de Jyväskylä (Finlande) en utilisant la méthode TAS qui est basée sur la détection des gammas de désexcitation du noyau produit par la décroissance bêta. Cette détection se produit à travers l'utilisation de plusieurs détecteurs BaF2 (figure 1) couvrant un angle solide de presque 4π tout autour de l'isotope sélectionné, ce qui permet de reconstruire l’énergie des niveaux excités peuplés par la décroissance bêta dans le noyau fils. Cette technique est complémentaire à l’utilisation de détecteurs Geemanium (Ge) pour la spectroscopie des noyaux. En effet, les détecteurs Ge ont une efficacité qui chute exponentiellement avec l’énergie des gammas, mais une très bonne résolution en énergie. Cette technique ayant été très employée, les données nucléaires associées à un certain nombre de noyaux sont biaisées par cette technique de détection, qui peut conduire à une sous-estimation des branches de décroissance bêta vers les niveaux excités de plus haute énergie dans le noyau fils (effet pandemonium [2]). La méthode TAS permet d’avoir une excellente efficacité de détection même à haute énergie, mais une résolution en énergie plus faible. Cette dernière technique est la seule technique permettant de reconstruire la distribution de force bêta, et est donc un outil privilégié pour apporter des contraintes aux modèles théoriques.
En effet, la distribution de force beêta ("beta strength") est une observable microscopique que les modèles théoriques peuvent calculer, ouvrant ainsi une fenetre sur la structure du noyau. Les mesures apporteront de nouvelles contraintes utiles pour améliorer la prédictivite des modèles, indispensables dans d'autres domaines de la physique comme par ex. l'astrophysique nucleaire dans les calculs de nucléosynthèse.
Les mesures précédemment réalisées par nos collégues de Valencia par la méthode TAS ont d'ores et déja permis d'améliorer la prédiction de la puissance residuelle émise aprés la fission du 239Pu [3]. Plus récemment nous avons inclus ces mesures, qui concernent 7 noyaux, dans notre calcul des spectres d'antineutrinos des réacteurs. Il s'est avèré que ces 7 noyaux ont une grande influence sur la prédiction des spectres [4].
Actuellement l’équipe de SUBATECH est en train d'ecrire les articles associé à l’analyse de deux noyaux d’intérêt pour les antineutrinos qui ont été mesures en 2009 : le Rb 92 et 93. Un article regardant l'impact de la mesure du 92Rb sur le calcule de spectre antineutrino a été publié derniérement dans Physical Review Letters [5].
Une nouvelle expérience de mesures de propriétés de décroissance beta de produits de fission intéressants pour la détermination des spectres en énergie des antineutrinos avec la méthode TAGS, proposée par notre équipe, a été acceptée par l’accélérateur de Jyväskylä et a été réalisée en février 2014. 25 noyaux ont été mesuré, la plus parts importants pour le calcule des spectres antineutrinos mais certains d'intérêt aussi pour le calcule de la puissance résiduelle et pour l'étude de la structure nucléaire. L’article apparu sur le journal "JYFL Accellerator News" de février 2014 pour décrire cette expérience est reporté en figure 2.
figure 2 : article apparu dans journal JYFL Accellerator News de fevrier 2014 sur notre experience TAS
Dans le cadre de ce projet notre groupe a déposé une proposition d’expérience auprès de l’accélérateur d’ALTO à Orsay pour la mesure de noyaux d’intérêt pour la structure et l’astrophysique nucléaire et un LoI (Letter of Intent) pour des noyaux importants pour la physique appliquée aux réacteurs nucléaires (sureté, spectre antineutrino). Les deux on été bien reçus et acceptés par le PAC (Proposal Advisory Comitee) de l’accélérateur. La première expérience devrait être réalisée début 2015.
Le workshop "Collective mode studies through beta decay measurement" en lien avec ces activités et avec but principal de developper une de nos idées proposé pour l'experience a ALTO, a été organisé et effectué à Nantes en février 2015.
Bibligraphie
[1] http://www-nds.iaea.org/tagscm
[2] J. C. Hardy, L. C. Carraz, B. Jonson, and P. G. Hansen, Phyics Letter B 71, 307 (1977)
[3] A. Algora et al., Reactor Decay Heat in 239Pu: Solving the γ Discrepancy in the 4–3000-s Cooling Period, Phys. Rev. Lett. 105, 202501 (2010). Voir aussi le point de vue associe : http://physics.aps.org/articles/v3/94.
[4] M. Fallot et al., New antineutrino energy spectra predictions from the summation of beta decay branches of the fission products, Phys. Rev. Lett. 109, 202504(2012), arXiv:1208.3877
[5] A.-A. Zakari-Issofou et al., Total Absorption Spectroscopy Study of 92Rb Decay: A Major Contributor to Reactor Antineutrino Spectrum Shape, Phys. Rev. Lett. 115, 102503 (2015), arXiv:1504.05812