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Theses Year : 2019

A new approach to nuclear reaction evaluation using a self-consistent multichannel modeling methodology

Approche novatrice de l'évaluation des réactions nucléaires par une modélisation multivoie unificatrice

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Abstract

The traditional methodology of nuclear data evaluation, which has been in use for the past four decades, is showing its limitations in reducing significantly the uncertainties in neutron cross sections below their current level. This suggests that a new approach should be considered. This PhD work aims at demonstrating that a major qualitative improvement is possible by changing the reference frame historically used for evaluating nuclear data model. The central idea was to move from restrictive frame of the incident neutron and target nucleus to the more general frame of the excited compound system. Such a change, which implies the simultaneous modelling of all the reactions leading to the same compound system, opens up the possibility of direct comparison between nuclear model parameters, whether those are derived for reactor physics applications for reactor physics applications, astrophysics or basic nuclear spectroscopy studies. This have the double advantage of bringing together evaluation activities performed separately, and of pooling experimental databases and basic theoretical nuclear parameter files. During this PhD thesis, a new module, so called TORA (TOol for Reactions Analysis), was implemented within the CONRAD system of the CEA/LEPh, to allow the change of paradigm foreseen for next generation of evaluated neutron cross sections. After rigorous numerical validation of the TORA module, this work ends by associated studies within this new frame.
La méthode classique d’évaluation des données nucléaires pour la Physique des réacteurs, en vigueur depuis quatre décennies, atteint maintenant ses limites en terme de réduction des incertitudes sur les sections efficaces neutroniques. Ce constat nous a conduit à définir une approche nouvelle plus exhaustive en terme de processus physiques et de types d’observables capitalisables. Le travail de thèse présenté ici a pour objectif la démonstration qu’une amélioration qualitative majeure sur les paramètres a posteriori dans l’ajustement des sections efficaces, est réalisable en changeant de référentiel de travail, passant du cadre historique du neutron incident sur un noyau cible (c’est à dire de la spectroscopie neutronique) au cadre plus universel du centre de masse du système composé excité. Un tel changement de philosophie implique la modélisation effective simultanée de toutes réactions nucléaires menant au même système composé, ouvrant par voie de conséquence une inter-comparaison immédiate entre paramètres des modèles nucléaires provenant des différents pans de la physique, qu’ils soient issus des applications en physique de réacteurs ou de problématiques d’astrophysique ou de structure de la matière. La méthode ici décrite présente l’avantage de réunir des activités d’une même thématique (l’évaluation de données), habituellement exécutées séparément et ce, en regroupant les différentes bases de données expérimentales et différents jeux de paramètres ; qu’ils soient qualifiés d’ "a priori" ou d’ "a posteriori" dans le processus d’ajustement des données. Cette procédure a été mise en œuvre au travers du développement d’un nouveau module dénommé TORA (TOol for Reactions Analysis) du code CONRAD (COde for Nuclear Reaction Analysis and Data Assimilation) du Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA). Ce nouvel outil permet de calculer de façon autonome toutes sections efficaces neutroniques ou particules chargées microscopiques différentielles ou intégrées en angle qu’elles soient mesurées par rapport au référentiel des particules incidentes ou émergentes. Après une validation numérique des résultats des voies isolées de réaction par rapport aux codes institutionnalisés (CONRAD, SAMMY, NJOY, etc.) et après une comparaison des résultats TORA avec ceux d’un cas test de référence établi au niveau de la communauté scientifique des données nucléaires et traitant du système composé $^7$Be$^∗$ , l’accent a été mis sur une application concrète et d’actualité : le système composé $^{17}$O$^∗$. La problématique de la réduction des incertitudes des sections efficaces neutroniques de l’ $^{16}$O impliquant le système composé $^{17}$O$^∗$ , a été mise récemment en lumière au travers du projet international CIELO (Collaborative International Evaluation Library Organisation) qui a abouti en particulier à une clarification sur l’amplitude de la section efficace $^{16}$O(n, $\alpha$) $^{13}$C, réévaluée à la hausse de 40%. C’est le type de problème que l’approche unifiée de ce travail doit permettre à terme de prévenir en ayant un jeu unique cohérent de paramètres nucléaires (les paramètres fondamentaux de la théorie de la matrice R ; les amplitudes réduites $\gamma _c$ par voie d’excitation c d’un état du système composé) pour la reproduction des résonances observées quelle que soit la spectroscopie de réaction. En effet, historiquement les sections efficaces mesurées $^{16}$O(n, $\alpha$) $^{13}$C et $^{13}$C($\alpha$, n) $^{16}$O, ne pouvaient être l’objet d’un ajustement simultané et la mesure de la section efficace $^{13}$C($\alpha$, n) $^{16}$O devait être renversée (temporellement) pour rejoindre la base expérimentale neutronique de $^{16}$O sous la forme d’une pseudo-mesure $^{16}$O(n, $\alpha$) $^{13}$C et ainsi pouvoir compléter l’information disponible pour l’évaluation des données de $^{17}$O$^∗$ . Au-delà de cette question argumentée dans le manuscrit, une ébauche d’ajustement des sections efficaces neutroniques de $^{16}$O au travers de mesures de la base expérimentale rassemblée par le projet CIELO est réalisée avec comme produit fini des paramètres de résonance sous forme d’amplitudes réduites (et non pas sous forme de largeurs à mi-hauteur observées comme habituellement) avec rattachement à la structure nucléaire de l’ $^{17}$O, puisque étant définis par rapport à une énergie d’excitation dont l’origine de l’échelle se trouve être l’énergie de l’état fondamental de ce dernier. Une question, connexe au traitement matrice R et à l’énergie reportée dans la bibliographie pour les résonances observées, repose sur le choix de la convention choisie pour le calcul du facteur de déphasage, S$_l$, et ses implications notamment à l’ouverture énergétique (seuil) d’une réaction. Un survol de la problématique est donné dans le manuscrit.
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tel-02563752 , version 1 (05-05-2020)

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  • HAL Id : tel-02563752 , version 1

Cite

Aloys Nizigama. Approche novatrice de l'évaluation des réactions nucléaires par une modélisation multivoie unificatrice. Physique [physics]. Aix-Marseille Université (AMU), 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02563752⟩
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