Étude des cibles minces chargées de tritium utilisées dans les accélérateurs produisant des neutrons rapides par la réaction D-T

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Étude des cibles minces chargées de tritium utilisées

dans les accélérateurs produisant des neutrons rapides

par la réaction D-T

Francis Cambou, Henri Rème

To cite this version:

61

ÉTUDE DES CIBLES MINCES

CHARGÉES

DE TRITIUM

UTILISÉES

DANS LES

ACCÉLÉRATEURS

PRODUISANT DES NEUTRONS RAPIDES PAR LA

RÉACTION

D-T

Par FRANCIS CAMBOU et HENRI

_RÈME,

Centre de

_Physique

Nucléaire de la Faculté des _Sciences, Toulouse. Résumé. 2014 Cette étude

permet de _préciser le rendement des cibles

[titane-tritium]

_préparées par le Département des Radioéléments de

_Saclay.

Dix _sept cibles ont été ainsi traitées _permettant

la mise en évidence de la variation du rendement en fonction du _temps d’irradiation ainsi que les performances

optimales

permises dans la _génération des neutrons avec un accélérateur Sames de

150 kV. Une étude _{thermodynamique} à _permis d’autre _part de _préciser les causes de limitation de rendement.

Abstract. 2014

This study permits the determination of the efficiency of titan-tritium _targets manu-factured

_by

the Radioelements _{Departement, Saclay.} Seventeen targets have been examined make clear the variation of _efficiency as a function of irradiation time, as well as the best perfor-mances allowable in neutron _{generation using} a Sames 150 kV accelerator. Moreover, a thermo-dynamic study has shown the reasons for a restricted _efficiency.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE PHYSIQUE APPLIQUÉE

SUPPLÉMENT AU N° 3. TOME _25, MARS _1961, PAGE

Pour la

_production

de neutrons _{par la réaction}

3H(d, n)4He

on utilise des cibles où le tritium est

absorbé dans des

_{métaux, particulièrement}

dans

le titane ou du zirconium. Ces cibles doivent être

minces,

de l’ordre de _{200 pLg} de _{métal par}

_cm2,

pour que le flux de neutrons soit

monoénergétique

dans une direction déterminée. L’inconvénient

majeur

de ces cibles

_est,

outre leur

_prix

de

_revient,

une durée de vie

_{limitée, particulièrement}

lors d’une utilisation à des flux de neutrons

_importants

de l’ordre de 101°

_nls

dans

_l’angle

solide de 4n

stéradian. En effet le

rendement

de la réaction D-T

est,

en

pratique,

limité par la tenue de la cible sous

irradiation de deutons : le tritium diffuse dans la

cible,

un fin

_dépôt

de carbone recouvre la cible et au total le nombre de neutrons

_pouvant

être

extraits _{d’une cible donnée par réaction D-T} est

très inférieur au nombre tiré d’un calcul faisant

intervenir la

_quantité

de tritium utilisée

_[1].,

Le but de cette étude a été de mesurer avec

pré-cision le rendement des cibles titane-tritium

pré-parées

à

_Saclay

_{par le}

_Département

des

Radio-TABLEAU 1

62

éléments du Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique

et

de

_préciser

le rôle des facteurs limitant leur

rende-ment.

Le flux de neutrons

_produits

a été déterminé au moyen de trois méthodes simultanées : diffusion

élastique

des neutrons dans un cristal d’anthracène associé à un

_compteur

à

_{scintillations ;}

méthode de

la

_particule

associée au neutron dans la réaction

3H(d, n)4He ;

activation du cuivre 63 par la réaction

_{63Cu(n, 2n)62Cu.}

L’écart des résultats trouvés à

_partir

de ces

méthodes reste

_toujours

_inférieur à 5

_%.

I. Rendement de cibles neuves dans des condi-tions

_identiques.

-- Le rendement de 17 cibles

neuves a été étudié dans des conditions

expéri-mentales constantes

₍₁₃₀

kV - 100

_tLA).

Les

résul-tats sont

_consignés

dans le tableau 1. A titre

indi-catif,

on a fait

_figurer

dans le même tableau les

résultats obtenus dans les mêmes conditions avec

deux cibles minces _{fournies par le} centre de radio-chimie d’Amershan

_{(Angleterre).}

Le flux

_théorique

des neutrons obtenu dans ces conditions avec des ions

monoatomiques

a été tiré

des résultats de Saker et Wood

_{[2] ;}

_ceux-ci

sup-posent

que les deutons

perdent

toute leur

énergie

dans la cible et _{que la}

_répartition

du tritium est

uniforme à l’intérieur de la cible. Bien que les deutons de 130 keV traversent entièrement les cibles minces sans

_perdre

toute leur

_énergie,

ces

résultats

_permettent

de montrer _{que pour des}

cibles de même

_épaisseur

_{ON, BM,}

ME

₍₂₆₀

_pLgfcm2)

le

_rapport

du flux mesuré au flux

_théorique

n’est

pas-cônstant,

et

_qu’il

_n’y

a donc pas de varxation

régulière

du flux avec le

_{rapport isotopique H3jTi}

ou avec le nombre de cm3 de tritium absorbés dans

la cible.

L’étude de ces rendements

_illustre,

_par

_ailleurs,

la

_régularité

dans la fabrication des cibles du

Département

des Radioéléments de

_Saclay

_puisqu’à

[130

kV - 100

_[LA],

_{le flux moyen obtenu} est

compris

entre 3 et 5 X 109

_n/s/47c.

II. Rendement des cibles en fonction du

_temps

d’irradiation. - Lors du bombardement des

cibles,

le rendement initial ne se conserve _pas. Le tableau 2 montre l’évolution de ce rendement en fonction de

la

_charge

_{reçue par} la cible.

TABLEAU 2

III. Tenue à haut flux. - Une série de cibles

a été étudiée en maintenant le faisceau de neutrons constant à 101°

_n/s/47r.

Pour maintenir ainsi le

ren-dement et _{compenser l’usure de la cible} on

_peut

_agir

par trois moyens

complémentaires : augmentation

de la tension

_jusqu’à

150

_kV

_augmentation

du

courant cible

_jusqu’à

650

_{[LA ;}

modifications de la focalisation.

Le tableau trois

_consigne

les résultats

expéri-mentaux. _{Une cible moyenne}

_permettra

de main-tenir un flux aussi élevé

pendant

deux heures

environ.

CAUSES DE LIMITATION DU RENDEMENT.

-MacKlin et Gibbons

_[3]

ainsi _que Gunnersen et

James

_[4]

ont _{montré que la}

_répartition

du tritium

non uniforme dans la

cible

comportait

une couche

superficielle

oxydée

très

_peu

_{tritiée ;}

cette couche

dégrade

l’énergie

des deutons incidents sans fournir

le nombre de neutrons

_{correspondant,}

mais

n’ex-plique

pas la diminution du rendement sous

bom-bardement de deutons.

Une étude de l’échauffement des cibles en accélé-rateur au _{moyen de}

thermocouples

soudés sur la surface montre que l’élévation de

température,

pratiquement

immédiate,

est de l’ordre de 15°C

par 50

uA

pour une tension d’accélération des

deutons de 130 kV. L’élévation de

_température

est

d’autre

_part

doublée

_lorsque

_{la tension passe de 80}

à 150 kV.

Une étude

_{thermodynamique}

des

_cibles,

dans un

banc à vide a

_permis

de montrer _{que le} tritium ne

quitte

la cible que vers 220 °C

(tout

au moins en une

quantité

mesurable _par une chambre

d’ioni-sation).

D’autre

_part,

ce

_dispositif

montre

_qu’il

reste au moins 90

_%

du tritium initial dans les

cibles

_usagées

dont le rendement est tombé au

centième de la valeur initiale.

63

cible

_provenant

de remontées d’huile

_depuis

la pompe à diffusion. Ces

dépôts

carbonés forment

une couche inactive

qui

_provoque

l’absorption

ou

le ralentissement des deutons incidents.

TABLEAU 3

Lorsque

l’intensité du faisceau est

_importante

(400 UA

par

exemple)

la baisse de rendement est relativement moins

_importante

_pour un même

nombre de deutons tombant sur la cible

_(cf.

ta-bleau

_3).

Ceci

_{peut s’expliquer}

_par l’échauffement de la cible

_qui

diminue

_{l’importance}

des

_dépôts

carbonés.

Cette étude a fait

l’objet

d’un contrat entre le Commissariat à

_l’Énergie

_Atomique

et M. le

Pro-fesseur Daniel

_Blanc,

directeur du Centre de

Phy-sique Nucléaire, auquel

nous

_exprimons

toute notre

reconnaissance. Nous remercions MM.

_Fisher,

chef de

_{département,}

Henri et

_Cornuet,

chefs de

_service,

Manin et

_{Laverlochère, ingénieurs}

au C. E.

_A.,

avec

_lesquels

nous avons eu de fructueuses

dis-cussions.

BIBLIOGRAPHIE

[1] RÈME _(H.), Doctorat de

_{spécialités,}

Toulouse, 1963. [2] SAKER et _WOOD, S. E. R. L. _Baldock, Herts n° _M-61,

18

_septembre

1958.

[3] MACKLIN et _{GIBBONS, Phys. Rev., 1958,} 109, 105.

[4] GUNNERSEN et JAMES, Nucl. Instr. Methods, 1960, 8,