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Assessment of the neutron fluence during operation of CEMHTI Cyclotron using Monte-Carlo codes - Simβ-AD study

L'étude Simβ-AD a établi une méthodologie pour évaluer l'activation des déchets radioactifs au cyclotron du CEMHTI en validant les mesures de fluence neutronique à partir de feuilles d'activation par rapport à quatre codes de Monte-Carlo (FLUKA, MCNP6, PHITS et RayXpert®), démontrant un bon accord entre les données expérimentales et les simulations en utilisant des modèles simplifiés.

Auteurs originaux : Jean-Michel HORODYNSKI, Abir HASSANI, Frédéric CHAPELLE, Nicolas ARBOR, Djokhar BETELGUERIEV, Lucia Victoria GARCIA GARCIA, Stéphane HIGUERET, Léo NOWAK, Cédric DOSSAT, Sébastien BOUILLON, David CHAUL

Publié 2026-07-07

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Jean-Michel HORODYNSKI, Abir HASSANI, Frédéric CHAPELLE, Nicolas ARBOR, Djokhar BETELGUERIEV, Lucia Victoria GARCIA GARCIA, Stéphane HIGUERET, Léo NOWAK, Cédric DOSSAT, Sébastien BOUILLON, David CHAULIN, William HATE, Patrice RIFARD, Thierry SAUVAGE

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La vue d'ensemble : Prédire le « fantôme » laissé derrière soi

Imaginez que vous possédez une machine très puissante (un cyclotron) qui projette de minuscules particules comme des protons et des deutérons sur une cible. Lorsque ces particules frappent la cible, elles ne s'arrêtent pas simplement ; elles créent une pluie chaotique de « fantômes » invisibles appelés neutrons. Ces fantômes rebondissent dans la pièce, frappant les murs, les aimants et l'équipement, les rendant légèrement radioactifs.

L'objectif principal de cette étude était de déterminer : Nos simulations informatiques peuvent-elles prédire avec précision à quel point ces fantômes rendent la pièce « radioactive » ?

Les chercheurs voulaient construire une recette fiable (méthodologie) pour mesurer cette radioactivité sans avoir à tout démonter plus tard. C'est crucial pour gérer les déchets radioactifs en toute sécurité.

Le casting des personnages

Le Cyclotron : Un gigantesque accélérateur de particules situé dans l'installation du CEMHTI en France. C'est comme une piste de course à grande vitesse pour de minuscules particules. Il vient de fermer récemment, ce qui en fait l'endroit idéal pour tester des idées avant que la piste ne disparaisse pour toujours.
Les « Fantômes » (Neutrons) : Des particules invisibles créées lorsque le faisceau frappe sa cible. Ils sont les principaux coupables qui rendent les autres matériaux radioactifs.
Les « Pièges collants » (Feuilles d'activation) : Les chercheurs ont placé de petites feuilles de métal fines (Or, Scandium, Tantale et Terbium) à différents endroits de la pièce. Considérez cela comme du papier tue-mouches collant. Lorsque les fantômes de neutrons passent, ils collent au métal, le modifiant légèrement. Plus tard, les chercheurs ont mesuré à quel point cette « adhérence » (radioactivité) était présente sur chaque feuille.
Les « Boules de cristal » (Codes Monte-Carlo) : Ce sont quatre programmes informatiques de supercalculateurs différents (FLUKA, MCNP6, PHITS et RayXpert). Ils sont comme des prévisionnistes météo. Vous leur donnez la carte de la pièce et la vitesse des particules, et ils tentent de prédire exactement combien de fantômes frapperont les pièges collants.

L'expérience : Un test de réalité

L'équipe a fait fonctionner le cyclotron avec deux types de faisceaux (protons et deutérons) et a placé ses « pièges collants » à divers endroits : près de la sortie du faisceau, près des aimants et contre les murs.

Une fois la machine éteinte, ils ont emmené les feuilles métalliques dans un laboratoire et ont mesuré précisément à quel point elles étaient devenues radioactives. Ensuite, ils ont comparé ces chiffres du monde réel avec les prédictions faites par les quatre programmes informatiques.

Les résultats : Comment les boules de cristal s'en sont-elles sorties ?

Les chercheurs ont constaté que les programmes informatiques étaient en fait assez doués pour deviner le résultat, mais qu'ils n'étaient pas parfaits.

Le score : Les prédictions informatiques se situaient généralement entre 50 % et 150 % des mesures réelles. Dans le monde de la physique complexe, cela est considéré comme un « bon accord ». C'est comme si un prévisionniste météo disait « il pleuvra entre 1 et 3 pouces », et qu'en réalité, il tombe 2 pouces de pluie.
Le bug de l'« Or » : L'un des programmes informatiques (FLUKA) avait un problème spécifique avec les feuilles d'or. Il semblait deviner la mauvaise quantité de radioactivité parce qu'il n'était pas sûr de la manière de gérer un « état » spécifique des atomes d'or (comme confondre un chat endormi avec un chat éveillé). Lorsqu'ils ont corrigé cette logique, les prédictions se sont nettement améliorées.
Le problème du « Coin » : Près de la sortie du faisceau (là où les particules frappent en premier), les prédictions étaient un peu plus dispersées. C'est comme essayer de prédire comment l'eau éclabousse quand on jette une pierre dans un étang ; les ondulations près de l'éclaboussure sont chaotiques et difficiles à modéliser parfaitement. Les ordinateurs ont parfois sous-estimé les « fantômes » à faible énergie dans ces coins serrés.

Pourquoi cela importe (selon l'article)

L'étude prouve que vous pouvez utiliser ces codes informatiques pour estimer la quantité de déchets radioactifs qu'une installation de cyclotron produira.

Le problème « Bêta » : Certains matériaux radioactifs n'émettent qu'un type d'énergie appelé rayonnement « bêta », qui est difficile à détecter sans détruire l'objet. L'article suggère que si nous pouvons prédire avec précision l'activité neutronique en utilisant ces codes, nous pouvons estimer les déchets « uniquement bêta » sans avoir à découper la machinerie.
La conclusion : En combinant les modèles informatiques avec quelques mesures réelles (les pièges collants), nous pouvons créer une méthode fiable pour gérer les déchets radioactifs provenant des accélérateurs de particules.

Résumé en un mot

Les chercheurs ont testé quatre programmes informatiques différents pour voir s'ils pouvaient prédire à quel point une pièce deviendrait radioactive après le fonctionnement d'un accélérateur de particules. Ils ont utilisé de vraies feuilles de métal comme « capteurs » pour attraper les particules invisibles. Les ordinateurs ont fait un travail correct (à un facteur de 1,5), prouvant que nous pouvons utiliser ces simulations numériques pour planifier la gestion des déchets radioactifs, à condition de connaître exactement le comportement de la machine et de corriger quelques petites erreurs de logique dans le logiciel.

Résumé technique : Évaluation de la fluence neutronique lors du fonctionnement du cyclotron de la CEMHTI à l'aide de codes Monte-Carlo

Énoncé du problème
La gestion efficace des déchets radioactifs pour les installations de cyclotron nécessite une caractérisation radiologique précise, particulièrement pour les radionucléides émetteurs de $\beta$ uniquement (ex. $^{36}$ Cl, $^{49}$ V, $^{55}$ Fe, $^{63}$ Ni) qui nécessitent des méthodes de mesure destructives. L'étude Sim $\beta$ -AD a été lancée pour établir une méthodologie combinant les codes Monte-Carlo (MC) et des détecteurs de neutrons actifs afin d'évaluer l'activation des matériaux au sein des installations de cyclotron. Le défi spécifique abordé dans cet article est l'étalonnage des codes MC par rapport aux données expérimentales pour valider les calculs de fluence neutronique et définir le rapport entre les radionucléides émetteurs de $\beta$ uniquement et ceux émetteurs de $\gamma$ . Ce travail se concentre sur l'installation du cyclotron de la CEMHTI, qui a fonctionné de 1976 jusqu'à son arrêt en 2023, offrant une opportunité unique de valider les modèles par rapport aux données opérationnelles réelles avant le déclassement de l'installation.

Méthodologie
L'étude a employé une approche comparative entre les mesures expérimentales et les simulations numériques utilisant quatre codes Monte-Carlo distincts : FLUKA, MCNP6, PHITS et RayXpert.

Modélisation géométrique et physique :
- Un modèle haute fidélité du bunker de la CEMHTI, des zones expérimentales, des composants du cyclotron (aimants, culasse, injecteur) et des cibles a été construit sur la base de plans et de mesures in situ.
- Deux scénarios de faisceau primaire ont été modélés :
  1. Faisceau de protons : 16 MeV, 25 µA arrêté dans un bloc de Tantale, avec une perte secondaire sur le déflecteur.
  2. Faisceau de deutérons : 17,5 MeV, 30 µA arrêté dans une cible de Béryllium.
- Les paramètres physiques spécifiques ont été optimisés pour chaque code afin d'améliorer les statistiques de production de neutrons, incluant l'utilisation de bibliothèques de sections efficaces spécifiques (JEFF 3.3, TENDL-2019/2021/2024, ENDF/B-VIII.0) et de techniques de réduction de la variance (ex. collisions forcées, échantillonnage d'importance).
Configuration expérimentale :
- Des feuilles d'activation passives composées d'Or (Au), de Scandium (Sc), de Tantale (Ta) et de Terbium (Tb) ont été placées à divers endroits (extraction, tube, culasse, déflecteur, mur, porte, aimant) lors de deux campagnes d'irradiation en 2021.
- Les feuilles ont été irradiées pendant 5 heures (protons) et 2 heures (deutérons).
- Après irradiation, une spectroscopie $\gamma$ a été réalisée à l'aide d'un détecteur ISOCS à 40 % d'efficacité pour quantifier l'activité des radionucléides émetteurs de $\gamma$ ( $^{198}$ Au, $^{46}$ Sc, $^{182}$ Ta, $^{160}$ Tb).
Calculs d'activation :
- Les fluences neutroniques dérivées des codes MC ont été utilisées comme entrée pour les calculs d'activation hors ligne à l'aide de FISPACT-II (avec les bibliothèques TENDL-2019) et d'une pré-version du code RayActive.
- FLUKA a également effectué des calculs d'activation en ligne via sa carte RESNUCLEI.

Résultats clés
L'étude a comparé les activités mesurées aux valeurs calculées, produisant les conclusions suivantes :

Accord global : Un bon accord a été obtenu entre les mesures et les calculs pour les quatre codes, avec des rapports d'activité mesurée par rapport à l'activité calculée compris dans la plage 0,5–1,5.
Faisceau de protons :
- Les calculs en ligne de FLUKA ont montré un bon accord, sauf pour les feuilles d'Or (Au), où un rapport arbitraire de 50/50 entre l'état fondamental et l'isomère dans la carte RESNUCLEI a entraîné des écarts ; ce problème a été résolu en utilisant FISPACT-II.
- Les codes ont présenté des écarts plus importants pour les feuilles situées près des points de perte de faisceau (déflecteur, tube), particulièrement pour l'Au, le Ta et le Tb, qui sont sensibles aux neutrons de basse énergie. Cela suggère des variations dans le calcul de la fluence neutronique de basse énergie à de petits angles par rapport au faisceau.
- RayXpert et MCNP6 ont présenté des tendances similaires, tandis que PHITS a suivi la tendance de FLUKA dans la plupart des cas.
Faisceau de deutérons :
- Les calculs utilisant FISPACT-II couplé aux fluences de FLUKA, MCNP6 et PHITS ont montré un bon accord.
- Les calculs en ligne de FLUKA ont significativement sous-estimé l'activité des feuilles d'Au en raison du problème d'équilibre de l'isomère.
- Les autres codes avaient tendance à surestimer l'activation, probablement en raison d'une surestimation des neutrons de basse énergie issus de la réaction Be(d,n) et de leur thermalisation subséquente dans les murs en béton.
Performance des codes : RayXpert et MCNP6 ont montré des écarts plus élevés par rapport aux autres codes à proximité des points de perte de faisceau, ce qui est attribué à la sous-estimation de la fluence neutronique de basse énergie à de petits angles.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'estimation de la fluence neutronique à l'aide de codes Monte-Carlo, lorsqu'elle est associée à des modèles de fasilitas relativement précis, constitue une méthode fiable pour évaluer l'activation des détecteurs passifs dans les environnements de cyclotron. L'étude démontre que :

Validation de la méthodologie : La combinaison des codes MC et des outils d'activation hors ligne (FISPACT-II, RayActive) est une méthodologie viable pour caractériser l'activation des déchets radioactifs, atteignant des résultats dans une plage de performance acceptable (rapport 0,5–1,5).
Sources d'incertitude : La principale source d'incertitude pour le scénario du faisceau de protons est identifiée comme étant le manque de données précises concernant l'intensité et la forme de la perte de faisceau à l'intérieur de l'accélérateur.
Application future : Le cyclotron de la CEMHTI étant désormais à l'arrêt, la méthodologie validée sera appliquée pour comparer les simulations numériques avec les mesures effectuées sur les pièces déclassées du cyclotron et les murs en béton. Cela facilitera les études ultérieures sur les différences spécifiques entre les codes MC, les bibliothèques de sections efficaces et les comportements de thermalisation des neutrons, soutenant ainsi l'objectif de Sim $\beta$ -AD de définir les rapports entre les radionucléides émetteurs de $\beta$ uniquement et les émetteurs de $\gamma$ pour la gestion des déchets.

Les auteurs concluent que bien que des améliorations de la connaissance des paramètres du faisceau soient nécessaires, les résultats actuels confirment l'utilité de ces outils de simulation pour la caractérisation radiologique dans les installations d'accélérateurs.