Thèse Mesure de Diffusion Élastique et Inélastique des Neutrons sur le 9Be avec le Détecteur Vendeta H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM Direction de la thèse : Olivier ROIG ORCID 0009000171381977 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 Le 9Be joue un rôle central dans les technologies de fusion et dans les MTR (Material Testing Reactor) en tant que modérateur et source de neutrons. Cependant les données nucléaires existantes pour la diffusion des neutrons sur le 9Be montrent des incertitudes significatives, particulièrement entre 1.5 et 15 MeV d'énergie des neutron incidents. Une mesure de la diffusion neutron élastique et inélastique sur le 9Be a été proposée et acceptée sur l'installation NFS (Neutron For Science) au GANIL dans le but de produire des données de précision pour améliorer les modèles de réactions nucléaires et les librairies de données nucléaires évaluées, une expérience a été proposée et acceptée sur l'installation NFS (Neutron For Science) au GANIL. Les neutrons seront mesurés avec l'ensemble de détection récemment développé VENDETA (VErsatile Neutron DETector Array), formé de scintillateurs liquides avec une haute résolution en temps pour la mesure du temps de vol des neutrons et combinant une excellente discrimination neutron/gamma et une efficacité de détection des neutrons jusqu'à des énergies cinétiques de 100 keV. Des faisceaux de neutrons quasi-monoénergétiques produits à NFS par des réactions p+7Li permettront une étude systématique des observables de diffusion en fonction de l'énergie des neutrons incidents.
La personne choisie sera en charge de l'analyse pour extraire des sections efficaces angulaires différentielles pour les voies élastique et inélastiques en fonction de l'énergie des neutrons incidents. Les données seront utilisées par les modèles de réaction permettant d'établir les librairies de données nucléaires, avec un impact attendu sur les applications de l'énergie nucléaire et la conception de protections contre les radiations. De plus, leur interprétation en termes de largeur de décroissances partielles vers les voies élastique et inélastiques pourra améliorer notre compréhension des liens entre les structures nucléaires du 9Be et du 10Be. La diffusion des neutrons sur le noyau atomique est une donnée clé pour la physique nucléaire fondamentale et un large éventail d'applications, de l'utilisation de l'énergie nucléaire à la radioprotection. Une caractérisation précise de la diffusion des neutrons est essentielle pour une modélisation fiable du transport des neutrons dans des milieux matériels. Cependant les données actuelles d'intérêt pour les applications sont souvent lacunaires voire présentent des divergences pour un grand nombre d'isotopes de la charte des noyaux. Ces lacunes introduisent des incertitudes substantielles dans les simulations du transport des neutrons.
Parmi les noyaux d'intérêt, le 9Be joue un rôle décisif dans les applications énergétiques de fission et de fusion. C'est le seul isotope stable du béryllium, caractérisé par une structure borroméenne. Malgré son faible nombre de masse, le 9Be présente une structure nucléaire remarquablement complexe avec de multiples configurations de clusters, et des états excités qui sont tous non liés. En raison de sa faible masse atomique et de sa faible section efficace de capture de neutron radiative, le béryllium est un modérateur de neutrons efficace. Son seuil de réaction (n,2n) est aussi le plus bas qui ait été observé à ce jour pour un noyau stable. Cela le rend particulièrement précieux pour la multiplication de neutrons rapides, notamment dans les réacteurs à fusion, et fait de la mesure précise de sa section efficace différentielle un enjeu important.
Le développement de nouvelles technologies pour les réacteurs nucléaires ainsi que leur optimisation requièrent des simulations réalistes de ces systèmes et des nombreuses réactions en jeu. Dans des expériences intégrales utilisant des assemblages où du béryllium est présent, le facteur de multiplication mesuré est plus bas que prédit par les simulations utilisant les données évaluées. Ces différences sont plus significatives lorsque la quantité de béryllium augmente. Cela montre le rôle essentiel de la réaction n+9Be et la nécessité de la caractériser avec des données différentielles plus précises.
Des données sur la réaction n+9Be existent pour des énergies de neutron incidents dans la région utile aux applications nucléaires, en-dessous de 15 MeV. Cependant, il existe peu de mesures de distributions angulaires dans certaines régions spécifiques. C'est par exemple le cas pour des énergies de neutrons incidents entre 1 et 4 MeV. Les données existantes datent des années 60, et les détails expérimentaux de ces données présentes dans la base EXFOR ne sont pas publiés. Dans cette région, les incertitudes vont de 5 à 10% et les angles couverts concernent seulement la région de 30 à 140° dans le centre de masse entre 1 et 2.7 MeV. Des calculs de réaction modernes parviennent à reproduire globalement la forme des distributions angulaires élastiques et inélastiques, mais des résonances dans la réaction restent difficiles à reproduire. Les modèles théoriques profiteraient de données plus précise avec une plus grande couverture angulaire pour améliorer la fiabilité des calculs de criticité et de sécurité.
La difficulté pour les modèles théoriques de reproduire la région entre 1 et 4 MeV d'énergie de neutron incident vient de la structure complexe du 9Be, borroméen, et des états excités du noyau composé 10Be formé lors de la réaction 9Be+n à ces énergies. Ces deux systèmes sont considérés comme des exemples typiques de « clusters moléculaires ». Les états fondamentaux du 9Be et du 10Be peuvent tous deux être interprétés comme des clusters de deux alphas, où les neutrons supplémentaires forment des liaisons covalentes qui stabilisent le système non lié 8Be, qui lui se sépare en deux alphas dans son état fondamental. Une large résonance observée dans la section efficace élastique atteint son maximum autour de 2.75 MeV d'énergie du neutron incident. Cette énergie correspond à un état dans le noyau composé de 9.27 MeV. Cet état dans le 10Be est interprété comme appartenant à une bande rotationnelle dont le premier membre est caractérisé par un mélange de deux configurations pour la liaison covalente des neutrons supplémentaires. Cette résonance a assez d'énergie pour décroître vers l'état fondamental (Jp=3/2-), le premier état excité (1.68 MeV, Jp=1/2+), ou le second état excité (2.43 MeV, Jp=5/2-) du 9Be. Tandis que les états 3/2- et 5/2- sont assignés à une même bande rotationnelle du 9Be, l'état 1/2+ est le début d'une autre bande rotationnelle. Déterminer la probabilité de décroître vers les différentes voies de réaction et déterminer les distributions angulaires de neutrons associées peut ainsi aider à mieux comprendre la structure en cluster du 10Be, en plus de générer de nouvelles données importantes sur une réaction clé pour le développement de réacteurs nucléaires de nouvelle génération.
L'objectif de la thèse est de réaliser une mesure de diffusion de neutrons sur une cible de Beryllium 9. La réalisation de l'expérience, l'analyse de données et leur interprétation seront le coeur de la thèse. Les résultats seront présentés en conférence et dans des revues internationales. Une expérience auprès de l'installation Neutrons For Science (NFS) au GANIL va être effectuée fin 2026. Des faisceaux de neutrons pulsés mono-énergétiques peuvent être produits par des réactions induites par proton sur le 7Li et sont parfaitement adaptés à des expériences de spectroscopie par temps-de-vol. La détection des neutrons se fera avec le nouvel ensemble de détecteurs de neutrons Versatile Neutron DETector Array (VENDETA). VENDETA a été optimisé en terme de résolution en temps, de discrimination neutron/gamma et montre plus de 20% d'efficacité intrinsèque entre 100 keV et 20 MeV. Son utilisation permettra une mesure précise de l'énergie des neutrons diffusés pour 16 angles compris entre 16.5 et 163.5°.

Master 2 Recherche ou Master 2 avec stage/expériences en recherche, en physique nucléaire