Sensibilit´e au plutonium

Pour ´evaluer l’impact de l’´evolution du combustible sur le taux d’antineutrinos d´etect´es, nous avons utilis´e un code d’´evolution simplifi´e appel´e FIASCO [105] qui a pour but d’estimer les diff´erentes quantit´es d’uranium 235, 238 et de plutonium 239 et 241 `a diff´erents instants. En entr´ee, l’utilisateur fournit les sections efficaces de capture et de fission, les constantes de d´esint´egration et les ´energies lib´er´ees par fission pour chacun des isotopes pr´esents. Avec ces informations et `a partir d’une composition initiale, le code r´esout les ´equations de Bateman par la m´ethode d’Euler ou de Runge-Kutta d’ordre 4 afin de fournir en sortie les masses de chacun

Chapitre 5. Pr´ediction et sensibilit´e de Nucifer 67 Date 04/05/2014 08/10/2014 15/03/2015 19/08/2015 Taux d'antineutrinos [/j] 0 100 200 300 400 500 ON OFF Prediction

Figure 5.4: ´Evolution du taux d’antineutrinos d´etect´es en fonction du temps regroup´es en p´eriodes de 5 jours (en rouge) superpos´e `a notre pr´ediction (en gris). La largeur de la pr´ediction correspond `a l’incertitude de 6 % (sauf lorsque le r´eacteur est ´eteint o`u elle n’est l`a que pour la

visualisation).

des isotopes. La puissance est fix´ee par l’utilisateur et le code adapte alors le flux de neutrons en cons´equence.

Pour valider ce code et fixer les valeurs des sections efficaces effectives, nous avons compar´e les r´esultats obtenus avec l’´evolution d’un combustible charg´e `a 20 % en uranium 235 et `a 80 % en uranium 238 avec une puissance thermique de 70 MWth, `a ceux obtenus avec MURE. Pour reprendre les conditions d’exploitation d’Osiris, nous faisons un rechargement tous les vingt jours par septi`eme de cœur et nous partons d’une masse initiale de 20, 318 kg en uranium 235 et 82, 245 kg en uranium 238. Comme FIASCO consid`ere le combustible homog`ene et ne prend pas en compte les effets g´eom´etriques, nous avons dˆu adapter les sections efficaces afin de retrouver les proportions de fission de chaque isotope obtenus avec MURE (cf figure 5.5). Nous observons un comportement similaire entre les deux codes avec des proportions de fission `a l’´equilibre `a moins de 3 % d’´ecart.

Une fois que nous connaissons le nombre de fissions de chaque isotope, nous pouvons trouver l’´evolution du taux d’antineutrinos ´emis par le combustible en fonction du temps pass´e en r´eacteur. Nous consid´erons que le r´eacteur op`ere `a puissance constante, les donn´ees sont donc normalis´ees `a la mˆeme puissance. Lorsque l’enrichissement n’est r´ealis´e qu’avec de l’uranium 235, le taux d’antineutrinos diminue car, petit `a petit, le plutonium 239 se forme et participe `a la fission et, comme nous l’avons vu en figure 3.1, le plutonium produit moins d’antineutrinos pour plus d’´energie par fission. L’´ecart entre le d´ebut d’exploitation d’un combustible frais et l’´equilibre n’est que de 3, 5 % (cf figure 5.6) en raison de la faible dur´ee des cycles. Dans le cas d’un d´etournement de plutonium `a Osiris, il n’y aurait donc au maximum qu’un ´ecart de 3, 5 % dans le taux d’antineutrinos d´etect´es, ce qui est compl`etement impossible `a voir avec Nucifer en raison des barres d’erreurs statistiques qui couvrent largement cet ´ecart. Mˆeme en regroupant les donn´ees par cycle d’exploitation, les barres d’erreurs statistiques restent trop importantes `a cause de l’important bruit de fond pr´esent dans la casemate de Nucifer : un cycle de 20 jours

Chapitre 5. Pr´ediction et sensibilit´e de Nucifer 68 Temps [jours] 0 50 100 150 200 250 300 Proportion de fission [%] 1 10 2 10 Uranium 235 Plutonium 239 Uranium 238 Plutonium 241

Figure 5.5: ´Evolution des proportions de fission pour chaque isotope dans le cœur d’Osiris avec MURE (en traitill´e) et FIASCO (en trait plein).

Temps [jours]

0 50 100 150 200 250 300

Nombre d'antineutrinos emis par cycle

22.4 22.6 22.8 23 23.2 24 10 ×

Figure 5.6: ´Evolution du taux d’antineutrinos ´emis dans Osiris avec un combustible enrichi `a 20% en uranium 235 pr´edit par FIASCO.

pr´esente en effet une erreur statistique de 7%. Les erreurs syst´ematiques n’interviennent pas ici car il s’agit d’une comparaison relative des points d’un cycle `a un autre.

D´etecter un d´etournement de plutonium `a Osiris avec un d´etecteur de type Nucifer n’est donc pas r´ealisable dans les conditions de bruit de fond actuelles. En revanche, il est possible d’imaginer une autre utilit´e `a un tel d´etecteur telle que connaˆıtre la masse de plutonium brˆul´ee en r´eacteur. Certains ´etats comme les ´Etats-Unis et la Russie cherchent en effet `a d´etruire une partie du plutonium 239 provenant du d´emant`element d’armes atomiques. En ´etant plac´e dans un r´eacteur nucl´eaire, le plutonium fissionne et devient alors inutilisable pour des fins militaires. Par rapport au cas d’un enrichissement pur d’uranium 235, l’´evolution va ˆetre diff´erente : le

Chapitre 5. Pr´ediction et sensibilit´e de Nucifer 69

Duree d'exploitation [jours]

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Taux d'antineutrinos [/j] 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 Nucifer data 95% Confidence interval 458g Pu239 (Osiris) 1.37kg Pu239 2.39kg Pu239 3.53kg Pu239 4.46kg Pu239 6.09kg Pu239

Figure 5.7: ´Evolution du taux d’antineutrinos d´etect´es dans Nucifer (en rouge) superpos´e aux diff´erents taux attendus `a l’´equilibre pour diff´erentes compositions initiales de combustible. La

masse moyenne de plutonium pr´esente dans le cœur est indiqu´ee.

taux d’antineutrinos ´emis va d’abord augmenter avant d’atteindre un ´equilibre. Cela s’explique par le fait que le plutonium 239 fissionne plus rapidement que l’uranium 235 et va donc ˆetre aussi consomm´e plus rapidement. Au fur et `a mesure que l’uranium 235 prend de l’importance dans la proportion de fissions, le taux d’antineutrinos augmente donc. Suivant la quantit´e de plutonium contenue initialement dans le combustible, le taux d’antineutrinos `a l’´equilibre va varier pour une mˆeme puissance : plus le combustible sera enrichi en plutonium qui produit plus d’´energie par fission et moins d’antineutrinos que l’uranium 235, plus le taux d’antineutrinos d´etect´e sera faible. Nous avons ´etudi´e plusieurs compositions de combustible variant de 0 % `a 10 % en plutonium 239, le reste de la mati`ere fissile ´etant compl´et´e par de l’uranium 235 de fa¸con `a atteindre 20 % en mati`ere fissile, les 80 % restant ´etant de l’uranium 238. En comparant le taux d’antineutrinos d´etect´es aux taux attendus `a l’´equilibre pour les diff´erentes compositions initiales (cf figure 5.7), nous pouvons d´eterminer la masse minimum de plutonium 239 pr´esente dans le cœur que nous pouvons d´etecter avec 95 % de confiance. Dans le cas d’Osiris, nous trouvons une masse limite de plutonium de 1, 55 kg.