Soutenance de thèse de Carole CHATEL

Present PhD is willing to study the neutron fission cross section of the 242Pu that is classified as fertile isotope. This work relies on two complementary branches of nuclear physics, meaning the experimental and the theoretical aspect. This PhD takes place within a collaboration between the CEA (LEPh) of Cadarache and the CENBG (ACEN group) of Bordeaux-Gradignan. When a fission occurs, a heavy nucleus starts to deform from its spheroid equilibrium shape. The minimum of nuclear potential fluctuates as a function of the nucleus main deformation (i.e. the elongation), drawing a double-humped curve with two wells: the first one corresponds to the point of normal equilibrium shape and the second one to the fission isomer deformation. A heavy nucleus cross section overlays several energetic regions: the resolved resonances range (RRR), the unresolved resonances range (URR) and the neutron continuum. To model a cross section, the most physical and mathematically correct formalism must be applied as a function of the energy range involved. The theoretical part of this work aims to analyze and model the fission cross section over the various pre-cited energy domains. Hence, in the RRR, approximations of R-Matrix theory are used with the in-house computer code CONRAD. The excited states in the fission isomer well, namely the class-II states, are here described explicitly. In the URR, Hauser-Feshbach theory associated to Coupled Channels Optical Model calculations was used to represent the average resonant fission cross section. Once more, the class-II states have been identified and a more accurate data file is proposed. Present work ends by a careful study of the neutron continuum above the URR. Both the URR and the continuum were analyzed with the TALYS-ECIS-06 system of codes. Our goal was to explain the unknown origin of a sizeable structure lying right after the fission threshold at around 1.1 MeV of neutron energy. Prior present investigation, this rough structure was not correctly modeled, as well as its origin properly described. Since current experimental fission cross section database still shows 10 to 15% of discrepancies, a new precise measurement is advertised. For a high quality cross section measurement, several choices have to be made: the type of beam (Time Of Flight method or quasi-monoenergetic neutrons), the type of detectors to be selected (one for measuring the number of fission, the other for characterizing the neutron flux) and finally the cross section to be used as a reference to quantify the neutron flux. For a fission cross section measurement, the reference commonly chosen is the 235U(n,f) reaction that belongs to the category of secondary standards. The detectors classically selected are fission chambers. It was decided to set up an uncorrelated measurement with photovoltaic cells as fission detectors and to use the diffusion cross section H(n,n)p as reference. The latter is described as a primary standard which involves the proton recoil technique. However, no detector yet is suitable to cover the energy range spanning the broad resonant structure to be investigated. The experimental part of this work was driven around the development of a new detector; so called the Gaseous Proton Recoil Telescope. This detector carries the particularity to be a miniaturized Time Projection Chamber (TPC). Indeed, any particle track can be reconstructed in 3 dimensions, thanks to the Micromegas segmented detection plane and the electron drift velocity. The first task of my work was to determine the best operating range for this brand new detector. Once this was achieved, we paid attention to the device intrinsic efficiency since a precise measurement requires a detector with a 100% of intrinsic efficiency. The work was initially carried out with a 3 alpha source and then the final results are validated with a direct proton beam (at the AIFIRA accelerator of CENBG).

Ce travail de thèse pour but d’étudier la section efficace de fission neutronique du 242Pu. Il s'appuie sur les deux branches complémentaires de la physique nucléaire : l’expérimentation et le calcul. Cette thèse se déroule dans le cadre d'une collaboration entre le CEA (LEPh) de Cadarache et le CENBG (groupe ACEN) de Bordeaux-Gradignan. Lorsqu'un noyau lourd fissionne, il se déforme à partir de sa position d’équilibre. Le minimum de potentiel nucléaire oscille en fonction de la déformation principale du noyau (l’élongation), faisant apparaître une courbe à deux bosses et deux puits : le premier est le puits fondamental classique et le second, celui de l'isomère de fission. La section efficace d’un noyau lourd recouvre plusieurs régions énergétiques : celle des résonances résolues (RRR), celle des résonances non résolues (URR) et le continuum neutronique. Pour modéliser une section efficace, le formalisme le plus physique et mathématiquement correct doit être appliqué en fonction du domaine d'énergie. Notre partie théorique vise à analyser et modéliser la section efficace de fission sur les différentes plages énergétiques. Ainsi, dans le RRR, des approximations de la théorie de la matrice R sont utilisées avec le code maison CONRAD. Les états excités dans le puits isomérique, appelés états de classe II, sont décrits explicitement. Dans l'URR, la théorie de Hauser-Feshbach a été utilisée pour représenter la section efficace moyenne de fission résonante. Les états de classe II correspondants ont été identifiés et une évaluation plus fine de la section efficace de fission dans ce domaine d’énergie est proposée. Notre travail se termine par l’étude approfondie du continuum. L'URR et le continuum ont été analysés avec le système de codes TALYS-ECIS-06. L'objectif final consistait à expliquer l'origine de la structure située au-dessus du seuil de fission à environ 1,1 MeV d'énergie neutron. Avant cette étude, cette structure n'avait pas été correctement modélisée, ni son origine correctement décrite. Comme la base de données expérimentale actuelle de sections efficaces de fission montre encore 10 à 15 % de différences, une nouvelle mesure précise est recherchée. Pour une mesure de section efficace de haute qualité, nous devons choisir : le type de faisceau (méthode par temps de vol ou neutrons quasi-monoénergétiques), les détecteurs (un pour mesurer le nombre de fission, un pour caractériser le flux neutronique) et enfin la section efficace à utiliser comme référence pour quantifier le flux neutronique. Pour une section efficace de fission, la référence communément choisie est la réaction 235U(n,f) qui fait partie des standards secondaires. Les détecteurs classiquement utilisés sont des chambres à fission. Il a été décidé de mettre en place une mesure décorrélée avec des cellules photovoltaïques comme détecteurs de fission et d'utiliser la réaction H(n,n)p comme référence. Cette dernière est un standard primaire et implique la technique des protons de recul. Cependant, aucun détecteur existant n'est adapté pour couvrir toute la plage d'énergie de la structure résonnante à étudier. La partie expérimentale de ce travail avait pour but de développer un nouveau détecteur appelé le Détecteur Gazeux à Protons de Recul. Ce détecteur a la particularité d'être une Chambre à Projection Temporelle (TPC) miniaturisée. En effet, toute trajectoire de particules peut être reconstruite en 3 dimensions grâce au plan de détection segmenté Micromegas et à la vitesse de dérive des électrons. Notre première tâche était de déterminer les meilleures conditions de fonctionnement du détecteur. Une fois cela réalisé, nous avons étudié son efficacité intrinsèque : une mesure précise nécessite un détecteur avec une efficacité intrinsèque de 100%. Le travail a été initialement réalisé avec une source 3 alpha puis les résultats finaux ont été validés avec un faisceau de protons directs (accélérateur AIFIRA du CENBG).