SAPHIR : une contribution de la physique fondamentale à la transmutation des déchets nucléaires

n° 383 - avril 2000

 
Pour des informations complémentaires,
contacter les chercheurs, en cliquant ici

Page précédente


Suite à la loi Bataille* qui fait une obligation à tous les organismes de la recherche publique de se pencher sur le problème des déchets nucléaires, un vaste effort est actuellement entrepris pour répertorier les réactions nucléaires et évaluer les méthodes à mettre en œuvre pour réaliser une installation à rendement de transmutation élevé et avec un coût acceptable. La transmutation des déchets à vie longue (Cf. encadré) et en particulier celle des actinides mineurs est l'un des axes de recherche du programme interdisciplinaire PACE (Programme pour l'aval du cycle électronucléaire). C'est dans ce cadre que le dispositif, SAPHIR**, conçu pour des expériences de physique fondamentale, va être utilisé dès le printemps 2000 pour des études de fission de certaines réactions nucléaires. SAPHIR est le fruit d'une collaboration entre des chercheurs de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS*** et de la Direction des Sciences de la matière du Commissariat à l'énergie atomique.


L'une des options retenues repose sur le développement des réacteurs hybrides : il s'agit de systèmes où une source intense de neutrons, générés par un accélérateur de protons de haute énergie et de forte intensité, alimente un réacteur qui fonctionne de façon sous-critique. Les études de faisabilité de ces réacteurs hybrides se heurtent actuellement au manque de données nucléaires concernant les produits de fission à vie longue et les actinides mineurs.

Le multidétecteur SAPHIR en cours de montage au laboratoire national de Legnaro ( Padoue, Italie).
© CNRS/IN2P3. Photo : Gérard Barreau.

Cette méconnaissance est due à la difficulté de traiter ces noyaux radioactifs, toxiques parfois, et dont la manipulationexige des installations coûteuses. C'est le cas par exemple du 233Pa (Proactinium), déchet primaire de la combustion du thorium, dont il n'existe encore aucune mesure de capture ou de fission induite par neutron. L'intérêt renouvelé pour ce 233Pa est lié au développement des réacteurs hybrides dont le combustible devrait être fondé sur le cycle du thorium. Le noyau 233Pa est radioactif ; sa durée de demi-vie (temps à partir duquel il en reste la moitié) étant de 27 jours, il est particulièrement dangereux à manier. Sous l'impact de neutrons, il peut donner des produits de fission à vie longue, ceux dont justement on veut se débarrasser. Quel est donc le rendement (ou section efficace) de la fission de ce protactinium sous l'impact des neutrons ?
Une équipe du Centre d'études nucléaires de Bordeaux-Gradignan propose une méthode largement utilisée dans les études de structure nucléaire lorsqu'on s'intéresse à des produits qui exigeraient l'emploi de cibles radioactives. On étudie une autre réaction (réaction numéro 2) qui fait pénétrer au sein de la réaction numéro 1 que l'on veut étudier.

  • Réaction 1 : 233Pa (Protactinium) + neutron –> 234Pa –> fission
  • Réaction 2 : 232Th (Thorium) + 3He –> proton+ 234Pa –> fission

Connaissant le mécanisme de la réaction 2, grâce aux outils de la recherche fondamentale en physique nucléaire, on peut remonter à celui de la réaction 1. Les outils utilisés sont l'accélérateur Tandem de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (seule machine en France à produire un faisceau d'Hélium 3 à énergie convenable), et le détecteur SAPHIR conçu pour des études de structure nucléaire qui a fonctionné à Strasbourg et à Legnaro (Italie) avec les multidétecteurs EUROGAM et EUROBALL.

Les fragments de fission issus de la réaction sont détectés par 16 détecteurs du dispositif SAPHIR. Ce dispositif consiste en un assemblage de cellules photovoltaïques au silicium identiques à celles utilisées pour la réalisation des panneaux solaires à usage terrestre ou pour les vols dans l'espace. Ces cellules sont utilisées pour la détection des particules lourdes très ionisantes depuis une vingtaine d'années dans le but de réaliser des détecteurs versatiles et bon marché. Elles peuvent, dans de nombreuses applications, remplacer les détecteurs standard au silicium grâce à des performances comparables doublées d'une excellente tenue aux radiations (neutrons et particules chargées). Leur souplesse d'emploi et leur faible coût ont permis de réaliser un dispositif de détection comportant plusieurs dizaines de cellules (actuellement 48).

Ce multidétecteur présente un encombrement réduit et une excellente transparence aux rayonnements gamma et aux neutrons. Ces caractéristiques lui permettent donc d'être associé à d'autres détecteurs qui l'entourent tout en gardant une grande efficacité de détection. Le système SAPHIR, réalisé en collaboration avec une équipe du DAPNIA du CEA est un ensemble évolutif dont la géométrie et le nombre de cellules sont fixés par le physicien pour un usage propre. Les premiers tests pour l'étude des fissions du proactinium sont prévus au printemps 2000.

* Loi Bataille de 1991 : Loi n° 91-1381 du 30 décembre 1991 relative aux recherches sur la gestion des déchets radioactifs parue au Journal Officiel du mercredi 1er janvier 1992 (124e année, n° 1).

** SAPHIR : Saclay Aquitaine Photovoltaic Isomer Research.

*** Centre d'études nucléaires de Bordeaux-Gradignan (CENBG, CNRS-Université Bordeaux 1) et Institut de physique nucléaire d'Orsay (CNRS-Université Paris 11).


 

Le processus de transmutation

 

Le processus de transmutation est connu dans son principe depuis longtemps en physique nucléaire : un isotope radioactif à vie longue A subit une réaction nucléaire qui le transformera en un isotope B stable ou à vie courte qui peut alors être stocké en surface durant un temps raisonnable. Un exemple connu concerne le produit de fission 99Tc (Technetium) d'une demi-vie (temps à partir duquel il en reste la moitié) de 200 000 ans qui après capture d'un neutron devient le 100Tc qui décroît en 16 secondes vers le noyau stable 100Ru (Ruthenium).