Determination of fission fragment angular momentum from isomeric ratio measurement

Cette thèse a été réalisée au CEA Cadarache au sein du Laboratoire d'Etudes de Physique en collaboration avec le Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire (LPSC) et l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Dans le cadre de cette collaboration, un programme de mesure des rendements de fission des actinides d'intérêt pour les cycles du combustible actuels et innovants a été développé depuis plusieurs années. Ces rendements de fission interviennent dans les études du cycle du combustible principalement pour le calcul de l'inventaire en fin de cycle ainsi que pour la détermination des rayons gamma prompts émis par les fragments de fission.Près de huit décennies se sont passée [1] depuis la découverte de la fission, mais le processus de fission n’est toujours pas correctement prédit par les modèles. Certains aspects tels que la génération du moment angulaire du processus de fission ne sont pas clairement compris. Quelques théories ont été développées pour tenter d'expliquer ce processus de génération de moment angulaire. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de la génération du moment angulaire des fragments de fission à travers de nouvelles mesures des propriétés des produits de fission.La première partie du travail de thèse consiste à mesurer et analyser plusieurs rapports isomériques de produits de fission en fonction de leur énergie cinétique. Les expériences ont été réalisées auprès du spectromètre LOHENGRIN [2] situé à l'Institut Laue-Langevin en utilisant une cible 241Pu. Au cours de la campagne expérimentale de dix jours, le spectromètre LOHENGRIN a été utilisé pour sélectionner les produits de fission d'intérêt à différentes énergies cinétiques. Le dispositif expérimental se compose de deux détecteurs (clover) possédant quatre cristaux de germanium de haute pureté (HPGe) chacun et d'une chambre d'ionisation. Une coïncidence est utilisé entre la chambre d'ionisation et les détecteurs HPGe pour identifier la désexcitation des états isomériques dont la durée de vie est de l’ordre de la micro-seconde. La mesure de la désintégration de l'état fondamental est obtenue par analyse du spectre gamma associé à cette désintégration. Pour calculer des rapports isomériques, les intensités des rayons gamma issu de la littérature, et les efficacités des détecteurs HPGe sont nécessaires. Nous devons également ajouter quelques corrections avant de pouvoir obtenir nos rapports isomériques.Pour caractériser les détecteurs HPGe et obtenir les efficacités des détecteurs, une deuxième expérience a été réalisée en utilisant plusieurs sources ponctuelles. Des simulations ont été réalisées à l'aide de MCNP [3] permettant de modéliser le dispositif expérimental. Les efficacités simulées ont été comparées aux efficacités expérimentales mesurées afin de déterminer les paramètres des détecteurs HPGe. En utilisant les paramètres intrinsèques de chaque détecteur, le dispositif expérimental de mesures des rapports isomériques a été simulé.La deuxième partie de la thèse concerne la modélisation des produits de fission à l'aide d'un code Monte Carlo; FIFRELIN [4] développé au CEA. Ce code permet de simuler le processus de fission et le processus de désexcitation des fragments de fission tout en déterminant un grand nombre d'observables de fission. En confrontant les résultats obtenus avec ce code et ceux mesurés à l'ILL, le moment angulaire des produits de fission peut être déduit. A travers cette thèse, nous visons également à créer une base de données des rapports isomériques existants afin de valider le code FIFRELIN.[1] L. Meitner et al, Nature, vol. 142, no. 3615, p. 239, 1939.[2] P. Armbruster et al, Nuclear instruments and Methods, vol. 139, pp. 213-222, 1976.[3] J. F. Briesmeister, MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C, Los Alamos National Laboratory, April 2000.[4] O. Litaize, et al, The European Physical Journal A, vol. 51, p. 177, 2015.This PhD was carried out at CEA in the Laboratoire d’Etudes de Physique of CEA Cadarache in collaboration with Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire (LPSC), Grenoble and Institut Laue-Langevin (ILL), Grenoble. Under this collaboration, a programme to measure fission yields from actinides of interest for current and innovative fuel cycles has been carried out since several years. These fission yields are involved in the fuel cycle studies mainly for the inventory calculation at the end of the cycle as well as for the determination of the prompt gamma-rays emitted by the fission fragments.Even though nearly eight decades have passed [1] since the discovery of fission, a clear understanding of the entire process has still not been achieved. Some aspects such as the generation of angular momentum of the fission process is not clearly understood. A few theories have been developed to explain this process of the generation of angular momentum of fission products. This PhD thesis aims at improving the understanding of the generation of the angular momentum of the fission products. To achieve this, the PhD is broadly divided into 2 parts.The first part of the PhD work is to measure and analyse several isomeric yields as a function of fission product kinetic energy. The experiments were carried out at the LOHENGRIN [2] recoil mass spectrometer located at the Institut Laue-Langevin using 241Pu target. During the ten day experimental campaign, the LOHENGRIN recoil spectrometer is used to select the fission products of interest at various kinetic energies. The detection area consists of two high purity germanium (HPGe) clover detectors and an ionisation chamber. The gamma rays arising from microsecond isomers are analysed using the coincidence gamma spectrum, where a coincidence is created between the ionisation chamber and the HPGe detectors. Whereas the gamma rays arising from the decay of the ground state analysed by using the full spectrum. In order to determine the isomeric ratios, gamma ray intensities (taken from literature) and the HPGe detector efficiencies are required. We also need to add few corrections before we can obtain our final isomeric ratios.To characterise the HPGe detectors and obtain the detector efficiencies, a second experiment was carried out using various point sources. Simulations were carried out using MCNP [3] by creating this experimental setup. The simulated efficiencies were compared with experimental efficiencies obtained from the point source experiment and the HPGe detectors parameters were obtained. Using these detector parameters, the experimental setup from the isomeric ratios experiment was simulated using MCNP and the detector efficiencies for the isomeric ratio measurements were obtained.The second part of the PhD concerns the modelling of fission products using an existing Monte Carlo code; FIFRELIN [4] developed at CEA. This code can simulate the fission process as well as fission fragment de-excitation process along with determining a large number of fission observables. By confronting results obtained with this code and those measured at ILL, the angular momentum of the fission products is calculated. Through this PhD, we also aim to create a databank of existing isomeric ratios in order to validate the FIFRELIN code.[1] L. Meitner et al, Nature, vol. 142, no. 3615, p. 239, 1939.[2] P. Armbruster et al, Nuclear instruments and Methods, vol. 139, pp. 213-222, 1976.[3] J. F. Briesmeister, MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C, Los Alamos National Laboratory, April 2000.[4] O. Litaize, et al, The European Physical Journal A, vol. 51, p. 177, 2015

Détermination du moment angulaire de fragments de fission par la mesure de rapports isomériques

This PhD was carried out at CEA in the Laboratoire d’Etudes de Physique of CEA Cadarache in collaboration with Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire (LPSC), Grenoble and Institut Laue-Langevin (ILL), Grenoble. Under this collaboration, a programme to measure fission yields from actinides of interest for current and innovative fuel cycles has been carried out since several years. These fission yields are involved in the fuel cycle studies mainly for the inventory calculation at the end of the cycle as well as for the determination of the prompt gamma-rays emitted by the fission fragments.Even though nearly eight decades have passed [1] since the discovery of fission, a clear understanding of the entire process has still not been achieved. Some aspects such as the generation of angular momentum of the fission process is not clearly understood. A few theories have been developed to explain this process of the generation of angular momentum of fission products. This PhD thesis aims at improving the understanding of the generation of the angular momentum of the fission products. To achieve this, the PhD is broadly divided into 2 parts.The first part of the PhD work is to measure and analyse several isomeric yields as a function of fission product kinetic energy. The experiments were carried out at the LOHENGRIN [2] recoil mass spectrometer located at the Institut Laue-Langevin using 241Pu target. During the ten day experimental campaign, the LOHENGRIN recoil spectrometer is used to select the fission products of interest at various kinetic energies. The detection area consists of two high purity germanium (HPGe) clover detectors and an ionisation chamber. The gamma rays arising from microsecond isomers are analysed using the coincidence gamma spectrum, where a coincidence is created between the ionisation chamber and the HPGe detectors. Whereas the gamma rays arising from the decay of the ground state analysed by using the full spectrum. In order to determine the isomeric ratios, gamma ray intensities (taken from literature) and the HPGe detector efficiencies are required. We also need to add few corrections before we can obtain our final isomeric ratios.To characterise the HPGe detectors and obtain the detector efficiencies, a second experiment was carried out using various point sources. Simulations were carried out using MCNP [3] by creating this experimental setup. The simulated efficiencies were compared with experimental efficiencies obtained from the point source experiment and the HPGe detectors parameters were obtained. Using these detector parameters, the experimental setup from the isomeric ratios experiment was simulated using MCNP and the detector efficiencies for the isomeric ratio measurements were obtained.The second part of the PhD concerns the modelling of fission products using an existing Monte Carlo code; FIFRELIN [4] developed at CEA. This code can simulate the fission process as well as fission fragment de-excitation process along with determining a large number of fission observables. By confronting results obtained with this code and those measured at ILL, the angular momentum of the fission products is calculated. Through this PhD, we also aim to create a databank of existing isomeric ratios in order to validate the FIFRELIN code.[1] L. Meitner et al, Nature, vol. 142, no. 3615, p. 239, 1939.[2] P. Armbruster et al, Nuclear instruments and Methods, vol. 139, pp. 213-222, 1976.[3] J. F. Briesmeister, MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C, Los Alamos National Laboratory, April 2000.[4] O. Litaize, et al, The European Physical Journal A, vol. 51, p. 177, 2015.Cette thèse a été réalisée au CEA Cadarache au sein du Laboratoire d'Etudes de Physique en collaboration avec le Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire (LPSC) et l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble. Dans le cadre de cette collaboration, un programme de mesure des rendements de fission des actinides d'intérêt pour les cycles du combustible actuels et innovants a été développé depuis plusieurs années. Ces rendements de fission interviennent dans les études du cycle du combustible principalement pour le calcul de l'inventaire en fin de cycle ainsi que pour la détermination des rayons gamma prompts émis par les fragments de fission.Près de huit décennies se sont passée [1] depuis la découverte de la fission, mais le processus de fission n’est toujours pas correctement prédit par les modèles. Certains aspects tels que la génération du moment angulaire du processus de fission ne sont pas clairement compris. Quelques théories ont été développées pour tenter d'expliquer ce processus de génération de moment angulaire. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de la génération du moment angulaire des fragments de fission à travers de nouvelles mesures des propriétés des produits de fission.La première partie du travail de thèse consiste à mesurer et analyser plusieurs rapports isomériques de produits de fission en fonction de leur énergie cinétique. Les expériences ont été réalisées auprès du spectromètre LOHENGRIN [2] situé à l'Institut Laue-Langevin en utilisant une cible 241Pu. Au cours de la campagne expérimentale de dix jours, le spectromètre LOHENGRIN a été utilisé pour sélectionner les produits de fission d'intérêt à différentes énergies cinétiques. Le dispositif expérimental se compose de deux détecteurs (clover) possédant quatre cristaux de germanium de haute pureté (HPGe) chacun et d'une chambre d'ionisation. Une coïncidence est utilisé entre la chambre d'ionisation et les détecteurs HPGe pour identifier la désexcitation des états isomériques dont la durée de vie est de l’ordre de la micro-seconde. La mesure de la désintégration de l'état fondamental est obtenue par analyse du spectre gamma associé à cette désintégration. Pour calculer des rapports isomériques, les intensités des rayons gamma issu de la littérature, et les efficacités des détecteurs HPGe sont nécessaires. Nous devons également ajouter quelques corrections avant de pouvoir obtenir nos rapports isomériques.Pour caractériser les détecteurs HPGe et obtenir les efficacités des détecteurs, une deuxième expérience a été réalisée en utilisant plusieurs sources ponctuelles. Des simulations ont été réalisées à l'aide de MCNP [3] permettant de modéliser le dispositif expérimental. Les efficacités simulées ont été comparées aux efficacités expérimentales mesurées afin de déterminer les paramètres des détecteurs HPGe. En utilisant les paramètres intrinsèques de chaque détecteur, le dispositif expérimental de mesures des rapports isomériques a été simulé.La deuxième partie de la thèse concerne la modélisation des produits de fission à l'aide d'un code Monte Carlo; FIFRELIN [4] développé au CEA. Ce code permet de simuler le processus de fission et le processus de désexcitation des fragments de fission tout en déterminant un grand nombre d'observables de fission. En confrontant les résultats obtenus avec ce code et ceux mesurés à l'ILL, le moment angulaire des produits de fission peut être déduit. A travers cette thèse, nous visons également à créer une base de données des rapports isomériques existants afin de valider le code FIFRELIN.[1] L. Meitner et al, Nature, vol. 142, no. 3615, p. 239, 1939.[2] P. Armbruster et al, Nuclear instruments and Methods, vol. 139, pp. 213-222, 1976.[3] J. F. Briesmeister, MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4C, Los Alamos National Laboratory, April 2000.[4] O. Litaize, et al, The European Physical Journal A, vol. 51, p. 177, 2015

Investigation of fission product isomeric ratios and angular momenta of

During an experimental campaign performed at the LOHENGRIN recoil spectrometer of the Institut Laue-Langevin (ILL), a kinetic energy dependence of 132Sn fission product isomeric ratio (IR) has been measured by inducing thermal fission of 241Pu. The IRs are deduced using gamma ray spectrometry in coincidence with the ionisation chamber. To interpret these data, we use the FIFRELIN Monte-Carlo code to simulate the de-excitation of the fission fragments. Combining the IRs with the FIFRELIN calculations, the angular momentum distribution with kinetic energy of the doubly magic nucleus of 132Sn was deduced. This will be compared with the angular momentum distribution obtained for the reaction 235U(nth,f) for 132Sn

Angular momentum of doubly magic ¹³²Sn fission product: Experimental and theoretical aspects

International audienceDespite the numerous theoretical and experimental works published very recently, the way in which fission fragments acquire their angular momentum is still an open question. This angular momentum generation mechanism is important not only for improving our understanding of the fission process, but also for nuclear energy applications, since the angular momentum of fission fragments strongly impact the prompt gamma spectra and consequently the decay heat in a reactor. In this context, within the framework of a collaboration between the ‘Laboratoire de Physique Subatomique et Corpusculaire’ (LPSC, France), the ‘Institut Laue Langevin’ (ILL, France) and the CEA-Cadarache (France), an experimental program was developed on the LO-HENGRIN mass-spectrometer with the aim of measuring isomeric ratio of some fission products for different thermal-neutron-induced fission reactions. This paper will be focused on the results obtained for the spherical nucleus 132Sn following thermal-neutron-induced fission of both 235U and 241Pu targets. To further challenge the angular momentum generation models, 132Sn isomeric ratio (IR) was measured as a function of 132Sn fission product kinetic energy (KE). The angular momentum was determined by combining our experimental data with the calculations performed with the FIFRELIN Monte Carlo code. A clear angular momentum decrease with KE was observed for both reactions. Lastly, we investigate the dependence of the 132Sn angular momentum with the incident neutron energy, from thermal region up to 5 MeV (below the second-chance fission). For that, the four free available parameters in FIFRELIN are selected in order to reproduce the average prompt neutron multiplicity. In this way, the angular momentum is deduced for each neutron energy. These results are discussed in terms of the impact of the available intrinsic excitation energy at scission on the spin generation mechanism.</jats:p

Investigation of fission product isomeric ratios and angular momenta of 132^{132}Sn populated in the 241^{241}Pu(nth_{th},f) reaction

International audienceDuring an experimental campaign performed at the LOHENGRIN recoil spectrometer of the Institut Laue-Langevin (ILL), a kinetic energy dependence of 132Sn fission product isomeric ratio (IR) has been measured by inducing thermal fission of 241Pu. The IRs are deduced using gamma ray spectrometry in coincidence with the ionisation chamber. To interpret these data, we use the FIFRELIN Monte-Carlo code to simulate the de-excitation of the fission fragments. Combining the IRs with the FIFRELIN calculations, the angular momentum distribution with kinetic energy of the doubly magic nucleus of 132Sn was deduced. This will be compared with the angular momentum distribution obtained for the reaction 235U(nth,f) for 132Sn