Soutenance de thèse de Luca DIONI

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
NEUTRONS RAPIDES,SPECTROMÉTRIE,MASURCA,
Keywords
FAST NEUTRON,SPECTROMETRY,MASURCA,
Titre de thèse
DÉVELOPPEMENT D'UN SPECTROMÉTRE DE NEUTRONS RAPIDES POUR LE REACTEUR DE RECHERCHE MASURCA
Development of a multi-purpose fast neutron spectrometric capability in the MASURCA experimental facility
Date
Jeudi 21 Septembre 2017 à 9:00
Adresse
FACULTE DE DROIT ET DE SCIENCE POLITIQUE 3, avenue Robert SCHUMAN 13100 Aix en Provence
salles des Actes
Jury
Directeur de these Brian STOUT Aix Marseille Université
CoDirecteur de these Marco SUMINI Universita di Bologna
Examinateur Mossadek TALBY Aix Marseille Université
Examinateur Bertrand PEROT CEA
Examinateur Mario CARTA ENEA
Examinateur Elio TOMARCHIO Universita di Palermo
Examinateur Arjan PLOMPEN JRC-IRMM
Examinateur Imre PASZIT Chalmers University

Résumé de la thèse

Ce travail de thèse a comme sujet les techniques de spectroscopie neutronique rapide pour des applications liées aux réacteurs de recherche en général et plus particulièrement à l'installation MASURCA. La première partie est consacrée à l'étude des configurations expérimentales spéciales de MASURCA pour exploiter la flexibilité de l'installation et élargir la gamme de ses capacités. La possibilité d’utiliser MASURCA comme faisceau de neutrons est analysée. Cette option est particulièrement intéressante car les installations d’irradiation rapide sont de moins en moins disponibles, bien que plusieurs recherches et applications connexes soient encore très intéressantes. Ceux-ci comprennent : des expériences de shielding et de transport de neutrons rapide ; la production de champs de neutrons standards (de référence) ; des recherches des systèmes avancés de détection de neutrons ; des études sur les effets d'irradiation sur les matériaux organiques, semi-conducteurs et métaux ; la radiographie neutronique rapide ; etc. La conclusion est que MASURCA a des caractéristiques favorables par rapport à d'autres installations dans lesquelles des expériences avec des faisceaux de neutrons rapides ont été réalisées (YAYOI, AFSR, TAPIRO, HARMONIE, …). Les résultats des simulations ont montré qu'il est possible de délivrer un faisceau de neutrons avec une intensité continue maximale d’environ 1 × 108 neutrons cm-2 s-1 dans la salle expérimentale adjacente (à P = 5 kW), avec 89 % (respectivement 75 %) des neutrons ayant des énergies supérieures à 10 keV (resp. 100 keV). En ajoutant cette fonctionnalité, MASURCA pourrait fonctionner comme une plateforme physique multi-usages pour: • les études dans et à proximité du cœur, principalement (mais pas uniquement) pour valider les calculs de transport de neutrons dans des cœurs RNR-Na à fuite élevée ; • des recherches hors du cœur, pour les applications de type faisceau. La deuxième partie de ce travail a comme objective le développement d'une capacité de spectrométrie rapide suffisamment flexible pour accomplir la caractérisation de la distribution d'énergie neutronique dans les configurations expérimentales envisagées. Après une enquête et après plusieurs tests effectués avec différents spectromètres et techniques, un système de détection combiné basé sur des compteurs proportionnels et des scintillateurs organiques est choisi comme solution. Ce système sera capable de couvrir le domaine énergétique entre 10 keV et 10 MeV avec une région de chevauchement entre ~ 400 keV et 1.5 MeV. Le spectre commun relativement large est fondamental à des fins de normalisation et est obtenu grâce à l'utilisation d'un nouveau type de scintillateur organique: le stilbene solution-grown. Compte tenu du fait qu'aucune information concernant l'utilisation de stilbene (solution-grown) pour les applications liées aux réacteurs de recherche n’a été trouvée dans la littérature, une campagne expérimentale pour valider l'utilisation du scintillateur dans et à proximité du cœur d'un ZPR (LR-0) et hors du cœur d’un réacteur d'irradiation (LVR-15) a été proposée et accomplie. Les résultats fournissent les informations nécessaires pour confirmer les capacités de stilbene solution-grown et du système de détection combiné en tant que spectromètre flexible et multi-usages pour des champs de rayonnement mixtes avec des énergies intermédiaires et rapides.

Thesis resume

This PhD work deals with neutron spectroscopy techniques in mixed radiations fields for fast research reactor applications in the MASURCA facility. The first part is dedicated to the study of special experimental configurations of MASURCA, for exploiting the flexibility of the facility and enlarging the range of its capabilities. The possibility of operating the installation as a neutron beam facility is analyzed. This is of particular interest since fast source reactor facilities are less and less available worldwide, although several related researches and applications are still of great interest. These comprehend: fast neutron shielding and transport experiments; delivery of standard (reference) neutron fields and researches of advanced neutron detection systems; studies of irradiation effects and neutron damage on organic materials, semi-conductors and metals; fast neutron radiography and so on. The conclusion is that MASURCA has favorable characteristics with respect to other facilities in which experiments with fast neutron beams have been performed (YAYOI, AFSR, TAPIRO, HARMONIE, …). Results of simulations showed that is possible to deliver a neutron beam with a maximum continuous intensity of ~ 1 × 108 neutrons cm-2 s-1 in the adjacent experimental room (at P = 5 kW), with about 89 % (resp. 75 %) of the neutrons having energies above 10 keV (resp. 100 keV). By adding this capability, MASURCA could operate as a multi-purpose physics platform for: • in-core and near-core studies, mainly (but not only) for validating neutron transport calculations in high-leakage SFR cores; • out-of-core researches, for beam-type applications. Developing a fast neutron spectrometric capability flexible enough to accomplish the characterization of the neutron energy distribution in the envisaged experimental configurations, is the objective of the second part of this work. After a survey and after several tests performed with different spectrometers and techniques, a combined detection system based on proportional counters and organic scintillators is chosen as a solution. This system will be able to cover the neutron energy domain between 10 keV and 10 MeV, with an overlap region starting from about 400 keV up to 1.5 MeV. The relative large common spectrum, fundamental for normalization purposes, is achieved thanks to the use of a new type of organic scintillator: the solution-grown stilbene. Since no information regarding the use of solution-grown stilbene for research reactor applications was found in literature, an experimental campaign for validating the use of the crystal scintillator in and near the core of a ZPR (LR-0) and out of the core of an irradiation reactor (LVR-15) was proposed and accomplished. The results provide the information needed for confirming the capabilities of the solution-grown stilbene and of the combined detection system as a flexible, multi-use, mixed radiations fields spectrometer for the intermediate-to-fast energy region.