Published September 10, 2021 | Version v1
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Determination of fission fragment angular momentum from isomeric ratio measurement

Description

This PhD was carried out at CEA in the Laboratoire d'Etudes de Physique of CEA Cadarache in collaboration with Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire (LPSC), Grenoble and Institut Laue-Langevin (ILL), Grenoble. Under this collaboration, a programme to measure fission yields from actinides of interest for current and innovative fuel cycles has been carried out since several years. These fission yields are involved in the fuel cycle studies mainly for the inventory calculation at the end of the cycle as well as for the determination of the prompt gamma-rays emitted by the fission fragments. Even though nearly eight decades have passed since the discovery of fission, a clear understanding of the entire process has still not been achieved. Some aspects such as the generation of angular momentum of the fission process is not clearly understood. A few theories have been developed to explain this process of the generation of angular momentum of fission products. This PhD thesis aims at improving the understanding of the generation of the angular momentum of the fission products. To achieve this, the PhD is broadly divided into 2 parts. The first part of the PhD work is to measure and analyse several isomeric yields as a function of fission product kinetic energy. The experiments were carried out at the LOHENGRIN recoil mass spectrometer located at the Institut Laue-Langevin using 241Pu target. During the ten-day experimental campaign, the LOHENGRIN recoil spectrometer is used to select the fission products of interest at various kinetic energies. The detection area consists of two high purity germanium (HPGe) clover detectors and an ionisation chamber. The gamma rays arising from microsecond isomers are analysed using the coincidence gamma spectrum, where a coincidence is created between the ionisation chamber and the HPGe detectors. Whereas the gamma rays arising from the decay of the ground state analysed by using the full spectrum. In order to determine the isomeric ratios, gamma ray intensities (taken from literature) and the HPGe detector efficiencies are required. We also need to add few corrections before we can obtain our final isomeric ratios. To characterise the HPGe detectors and obtain the detector efficiencies, a second experiment was carried out using various point sources. Simulations were carried out using MCNP by creating this experimental setup. The simulated efficiencies were compared with experimental efficiencies obtained from the point source experiment and the HPGe detectors parameters were obtained. Using these detector parameters, the experimental setup from the isomeric ratios experiment was simulated using MCNP and the detector efficiencies for the isomeric ratio measurements were obtained. The second part of the PhD concerns the modelling of fission products using an existing Monte Carlo code; FIFRELIN developed at CEA. This code can simulate the fission process as well as fission fragment de-excitation process along with determining a large number of fission observables. By confronting results obtained with this code and those measured at ILL, the angular momentum of the fission products is calculated. Through this PhD, we also aim to create a databank of existing isomeric ratios in order to validate the FIFRELIN code. (author)

Abstract (French)

Cette these a ete realisee au CEA Cadarache au sein du Laboratoire d'Etudes de Physique en collaboration avec le Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire (LPSC) et l'Institut Laue-Langevin (ILL) a Grenoble. Dans le cadre de cette collaboration, un programme de mesure des rendements de fission des actinides d'interet pour les cycles du combustible actuels et innovants a ete developpe depuis plusieurs annees. Ces rendements de fission interviennent dans les etudes du cycle du combustible principalement pour le calcul de l'inventaire en fin de cycle ainsi que pour la determination des rayons gamma prompts emis par les fragments de fission. Pres de huit decennies se sont passee depuis la decouverte de la fission, mais le processus de fission n'est toujours pas correctement predit par les modeles. Certains aspects tels que la generation du moment angulaire du processus de fission ne sont pas clairement compris. Quelques theories ont ete developpees pour tenter d'expliquer ce processus de generation de moment angulaire. Cette these vise a ameliorer la comprehension de la generation du moment angulaire des fragments de fission a travers de nouvelles mesures des proprietes des produits de fission. La premiere partie du travail de these consiste a mesurer et analyser plusieurs rapports isomeriques de produits de fission en fonction de leur energie cinetique. Les experiences ont ete realisees aupres du spectrometre LOHENGRIN situe a l'Institut Laue-Langevin en utilisant une cible 241Pu. Au cours de la campagne experimentale de dix jours, le spectrometre LOHENGRIN a ete utilise pour selectionner les produits de fission d'interet a differentes energies cinetiques. Le dispositif experimental se compose de deux detecteurs (clover) possedant quatre cristaux de germanium de haute purete (HPGe) chacun et d'une chambre d'ionisation. Une coincidence est utilise entre la chambre d'ionisation et les detecteurs HPGe pour identifier la desexcitation des etats isomeriques dont la duree de vie est de l'ordre de la micro-seconde. La mesure de la desintegration de l'etat fondamental est obtenue par analyse du spectre gamma associe a cette desintegration. Pour calculer des rapports isomeriques, les intensites des rayons gamma issu de la litterature, et les efficacites des detecteurs HPGe sont necessaires. Nous devons egalement ajouter quelques corrections avant de pouvoir obtenir nos rapports isomeriques. Pour caracteriser les detecteurs HPGe et obtenir les efficacites des detecteurs, une deuxieme experience a ete realisee en utilisant plusieurs sources ponctuelles. Des simulations ont ete realisees a l'aide de MCNP permettant de modeliser le dispositif experimental. Les efficacites simulees ont ete comparees aux efficacites experimentales mesurees afin de determiner les parametres des detecteurs HPGe. En utilisant les parametres intrinseques de chaque detecteur, le dispositif experimental de mesures des rapports isomeriques a ete simule. La deuxieme partie de la these concerne la modelisation des produits de fission a l'aide d'un code Monte-Carlo; FIFRELIN developpe au CEA. Ce code permet de simuler le processus de fission et le processus de desexcitation des fragments de fission tout en determinant un grand nombre d'observables de fission. En confrontant les resultats obtenus avec ce code et ceux mesures a l'ILL, le moment angulaire des produits de fission peut etre deduit. A travers cette these, nous visons egalement a creer une base de donnees des rapports isomeriques existants afin de valider le code FIFRELIN

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Original title (English)
Determination du moment angulaire de fragments de fission par la mesure de rapports isomeriques

Publishing Information

Imprint Pagination
180 p.
Report number
FRCEA-TH--13888

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Notes
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