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Evaluation of nuclear physics models and particles transport codes in the energetic interval [4 MeV/n ; 100 MeV/n] – Development of an empiric-Monte Carlo code dedicated to neutron transport for the exploitation of nuclear facilities of GANIL

PhD in applied nuclear physics

French below.

Secondary neutrons produced in accelerator environments create reel constraints for the operation of this kind of nuclear facilities, especially in a point of view of nuclear safety and radioprotection regulation and the damages to the materials (electronics, cryogenics …) as well.

The lack of experimental nuclear data concerning the neutrons produced by the reactions of heavy ions on thick targets is one of the obstacles to quantify with precision the neutron environment in accelerators. TTNY program (Thick Target Neutron Yields), driven at GANIL since 2014, allowed to do several measurements of double differential neutron spectra induced by the reaction of heavy ions on thick targets. These data are still analyzed. The first subject of this PhD thesis will be the study of some nuclear models, namely those implemented in particles transport codes, in the objective to evaluate them thank to the TTNY experimental data. The PhD student will also analyze other experimental data collected during TTNY program concerning the activation of the thick targets. This work will allow obtaining of the reaction rates of residual nuclei that will be compared to the prediction of the existing models.

The second objective of this PhD thesis will be to produce an empirico-Monte Carlo code to calculate neutron production and transport in GANIL facilities (Cyclotrons, SPIRAL2 LINAC and experimental areas). This calculation code will be of a great interest for the exploitation of the facilities since it will help for the planning of different experiments in GANIL for the coming years.

Expected skills: Nuclear physics knowledge, good level in programming (C or C++), interest for experimental work and analysis


1.   Contexte général

Les neutrons secondaires créés par différentes réactions dans un accélérateur de particules (accélérateurs dédiés à la recherche ou aux applications comme l’hadron-thérapie) représentent l’une des contraintes principales dans l’exploitation de ce genre d’installations. Ces contraintes, essentiellement en termes de sûreté nucléaire et de radioprotection mais également pour la tenue des matériaux (composants électroniques par exemple) sous hauts flux de neutrons, imposent la connaissance, avec les plus grandes des précisions, de la production de ces neutrons en fluence (flux de neutrons) et en énergie (spectre). Cela constitue l’objectif du programme TTNY « Thick Target Neutron Yields » conduit au GANIL depuis quelques années. Ce programme permet de constituer une riche base expérimentale de rendements neutroniques des interactions d’ion lourd avec une cible épaisse. Ces dix dernières années ont vu la majorité des codes de transport, tout particulièrement ceux basés sur la méthode Monte Carlo, intégrer des modèles de physique nucléaire permettant de quantifier les taux de production (ou les sections efficaces de production) de noyaux lourds résiduels issus des interactions nucléaires. Cela est justifié par les besoins grandissants pour les accélérateurs de particules mais également pour des applications diverses telles que la transmutation des déchets nucléaires, la radiothérapie et la radioprotection. Pour le dernier point, la problématique concerne aussi bien l’exposition de l’homme lors d’interventions dans les accélérateurs de particules que lors de voyages spatiaux où les astronautes sont exposés aux « ions lourds cosmiques ». Plusieurs nouvelles installations sont actuellement en construction (SPIRAL2 en France, FAIR en Allemagne, SPES en Italie …) et les besoins pour des modèles fiables dans le calcul des interactions entre noyaux lourds sont fortement justifiés et toujours d’actualité.  Si beaucoup de travaux ont été conduits pour la haute énergie, la basse énergie reste encore peu sondée dans les codes de transport. Dans certains de ces codes, aucun calcul n’est possible pour des énergies d’ions incidents inférieures à 10 MeV/nucléon. Des modèles (BME, LAQGSM, JQMD) ont été développés pour modéliser et simuler le transport d’ions mais les divergences restent très importantes. Cela peut parfois avoir des conséquences considérables sur la modélisation ou la conception de l’installation nucléaire conduisant notamment à des coûts surdimensionnés.

2.      Sujet et objet de la thèse

Le sujet proposé se divise en deux parties complémentaires :

1.     Le premier volet consistera à évaluer, grâce aux données expérimentales disponibles, les modèles de physique existants traitant de la production des particules secondaires légères, notamment les neutrons, dans des réactions générées par des ions lourds sur cible épaisse. Ce travail permettra de valider chacun des modèles et mettre en évidence les limites de leurs utilisations. On s’intéressera tout particulièrement aux modèles implémentés dans les codes de transport de particules les plus utilisés au sein de la communauté de physique nucléaire : MCNP, PHITS et FLUKA. Parmi ces modèles : INCL, CEM et JAM pour la cascade intra-nucléaire, JQMD et IQMD pour la dynamique moléculaire quantique, GEM et ABLA pour les modèles de désexcitation (évaporation-fission).     

2.     Le deuxième volet de cette thèse sera la mise en place d’un code de calcul modélo-empirique permettant de quantifier la production neutronique des réactions nucléaires générées par des noyaux lourds et d’en déduire les conséquences sur l’exploitation des installations du GANIL (Cyclotrons, SPIRAL2, Aires d’expériences). Ce code devra remplacer un autre déjà existant mais présentant certaines limites. Le nouveau code devra prendre en compte et le transport et la diffusion des neutrons en alliant les deux méthodes : déterministe et Monte Carlo.

Compétences attendues  

Ce sujet de thèse s’adresse à un étudiant en physique nucléaire, idéalement de formation initiale « ingénieur », ayant d’évidentes facilités dans le développement informatique en maitrisant au moins un langage de programmation. Sa motivation principale doit être orientée vers les données nucléaires en général et leurs applications. Le thésard sera assisté durant ses travaux, en plus de son (ses) encadrant(s), par le groupe d’accueil (Physiciens du GANIL) ainsi que par l’équipe d’exploitation. Il sera également appelé à interagir avec le support informatique du GANIL. Il pourra également être assisté par des étudiants stagiaires dont il assurera l’encadrement en accord avec son (ses) propre(s) encadrant(s).

Le thésard sera appelé à échanger avec la communauté des données nucléaires (notamment le CEA/Saclay, l’AEN, les équipes américaine MCNP et japonaise PHITS ainsi qu’avec les auteurs de FLUKA,…).


Contact : Manssour FADIL

GANIL, BP 5027, F-14 076 Caen cedex 05


Phone: +33 (0)2 31 45 44 88

Fax: +33 (0)2 31 45 44 21

e-mail: fadil_at_ganil.fr


 

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