Published October 15, 2018 | Version v1
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Study of nuclear fission by spectrometry of the prompt gamma rays

Description

The desire to improve the fuel efficiency of nuclear reactors has motivated new solutions in their design. One of them is the heavy reflector used in the generation III+ and in the future generation IV reactors. γ-rays passing through matter cause its excitation and temperature rise. It is a process called γ-heating, and it is responsible for more than 90% of the heat production in the non-fuel region of the nuclear reactor. This is also the case of the heavy reflector. To simulate the γ-heating effect in every state of the nuclear reactor it is necessary to have precise data on the prompt γ-rays emitted by different fission fragments produced in the course of the nuclear chain reaction. In 2012, at the research reactor of the ILL, an innovative experiment, called EXILL, was conducted. It produced a large amount of useful data on the de-excitation of the fission fragments. A large number of HPGe detectors were used to study the neutron induced fission process by measuring the emitted γ-rays. Fissile targets were irradiated by an intense cold neutron beam. In this work we analyzed the 235U targets. We studied several fission fragments and more generally the fission process by using high-resolution γ-ray spectroscopy. At the beginning, we used the standard γ-γ-γ coincidence analysis method. We were able to filter experimental data, identify the well produced γ-rays, and calculate their relative intensities. The problems we have encountered are related to the background. The results obtained with this method were background dependent and thus presented some problems with reproducibility. We therefore developed and tested a new analysis methodology. Its crucial feature is a coincidence gates scanning in three directions which helps to find the most suitable background. The idea was to move from a 'spectroscopic' method, which main purpose is finding new transitions and excited states in a nucleus, to a 'spectrometric' method, which allows us to obtain more precise γ-ray intensities. We developed a semi-automatic analysis software which facilitates fitting of the chosen γ-ray peak, the contamination and the background. Various γ-ray intensity calculation schemes were derived to take into account different contamination strengths and placements. The results of the analysis with the new technique are reproducible and more reliable. The standard and the new analysis method were compared in the 142Ba analysis. In this work, we also compared our experimental results on some nuclei, such as 100Zr, with the simulation results performed with the FIFRELIN code. It is a Monte-Carlo code which simulates the fission process and the de-excitation of the fission fragments. It uses various models to describe these processes. We were able to test the behavior of different models implemented in FIFRELIN to find the optimal simulation parameter values and to test how well these setups reproduce the experimental results. FIFRELIN was unable to simultaneously reproduce the γ-ray intensities of 100Zr and the prompt-neutron multiplicity averaged over all fission fragments. However, with modified simulation parameters, FIFRELIN locally provided correct prompt-neutron multiplicity for the fission fragment with the atomic mass A=100 and well reproduced γ-ray intensities of 100Zr. We also compared our experimental results on 100Zr coming from the 235U(n,f) process with the other available experimental data coming from the experiments on 248Cm(sf) and 252Cf(sf), and another experiment on 235U(n,f). (author)

Abstract (French)

La volonte d'ameliorer l'efficacite energetique des reacteurs nucleaires a motive de nouvelles solutions dans leur conception. L'une d'elles est l'utilisation d'un reflecteur lourd dans les reacteurs de generation III+ et les futurs reacteurs de generation IV. Lorsque la matiere est traversee par des rayons γ, les excitations induites entrainent une elevation de sa temperature. Ce processus, appele echauffement γ, est responsable de plus de 90% de la production de chaleur dans la region hors combustible d'un reacteur nucleaire. C'est egalement le cas dans le reflecteur. Pour simuler l'effet de l'echauffement γ en fonction de la composition du combustible, il faut disposer de donnees precises sur les γ prompts emis par les differents fragments produits dans le processus de fission. En 2012, une campagne d'experiences inedite, EXILL, a ete menee au reacteur de recherche de l'ILL. Un grand nombre de detecteurs HPGe a ete place autour d'une cible fissile et a mesure les rayons γ emis par la cible alors qu'elle etait irradiee par un faisceau intense de neutrons froids. Dans ce travail, nous avons analyse les donnees obtenues avec des cibles 235U. Elles nous ont permis d'etudier la desexcitation de plusieurs fragments de fission et plus globalement le processus de fission induite par des neutrons. Dans un premier temps, nous avons utilise la methode standard d'analyse par coincidence γ-γ-γ. Nous avons pu filtrer les donnees experimentales, identifier les transitions γ dans des fragments bien produits et calculer leur intensite relative. Les problemes que nous avons rencontres concernent le bruit de fond. Les resultats obtenus dependent de ce choix et presentent donc des problemes de reproductibilite. Nous avons developpe et teste une nouvelle methodologie d'analyse. Son principe est un balayage des portes de coincidence selon trois directions, ce qui permet de trouver le bruit de fond le mieux adapte. L'idee principale etait finalement de passer d'une methode 'spectroscopique', dont le but est de trouver de nouvelles transitions et des etats excites dans un noyau, a une methode 'spectrometrique', qui nous permet d'obtenir plus precisement l'intensite de transitions γ connues, avec une meilleure estimation de leur incertitude. Cela nous a amene a developper un logiciel d'analyse semi-automatique d'ajustement des pics. Divers schemas de calcul de l'intensite des transitions γ ont ete egalement elabores pour tenir compte des contaminations possibles, selon leur emplacement dans la matrice de coincidence et leur intensite. La methode standard et la nouvelle methode d'analyse ont ete comparees pour l'analyse du 142Ba. Dans ce travail, nous avons egalement compare nos resultats sur quelques noyaux, tel que le 100Zr, avec des simulations realisees avec le code FIFRELIN. Ce dernier est un code Monte-Carlo qui simule le processus de fission et la desexcitation des fragments de fission. FIFRELIN utilise plusieurs modeles differents pour decrire ces processus. Nous avons teste le comportement des differents modeles, trouve les valeurs optimales des parametres de simulation et teste comment ces configurations reproduisaient les resultats experimentaux. FIFRELIN n'a pas ete en mesure de reproduire simultanement les intensites des transitions γ emises par les fragments de 100Zr et la multiplicite de neutrons prompts moyennee sur tous les fragments de fission. Cependant, avec des parametres modifies, FIFRELIN a fourni localement une multiplicite de neutrons prompts correcte pour les fragments de masse atomique A=100 et des intensites de transition γ bien reproduites pour le noyau de 100Zr. Nous avons egalement compare nos resultats experimentaux sur les fragments de 100Zr provenant du processus 235U(n,f) avec les autres donnees experimentales disponibles provenant des experiences sur 248Cm(sf) et 252Cf(sf), et une autre experience sur 235U(n,f). (auteur)

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Original title (English)
Etude de la fission nucleaire par spectrometrie des rayons gamma prompts

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Imprint Pagination
245 p.
Report number
FRCEA-TH--10946

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115 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Also available from SCD, Domaine universitaire de Paris-Sud Batiment 407 Rue du Doyen Georges Poitou 91405 ORSAY Cedex (France)