Ann Drakes s’est vu remettre le trophée Anthony J. MacKay par Bryce Gillman et Joe Cortese de Spectral Solutions.

Parmi les soumissions reçues dans le cadre du concours de communications étudiantes Anthony J. MacKay 2026, trois finalistes ont été sélectionnés pour présenter leurs travaux en personne au Symposium sur le radon et la radioprotection de l’ACRP-ACSTR à Saskatoon, en Saskatchewan le 28 mai 2026. Les présentations ont été évaluées, et le gagnant a été annoncé pendant le banquet du congrès. Félicitations à Ann Drakes, qui a reçu un prix en espèces de 500 $ et s’est vu remettre le trophée Anthony J. MacKay par Bryce Gillman et Joe Cortese de Spectral Solutions.

Merci à Mina Manzoor, Matt Bernacci et les membres du comité des étudiants et des jeunes professionnels (SYPCOM) de l’ACRP d’avoir géré et évalué les communications soumises et à Spectral Solutions d’avoir généreusement commandité le concours 2026.

Voici la proposition gagnante d’Anne.

Évaluation de la faisabilité de la reconstruction du flux neutronique en 3D pour la physique des réacteurs et la radioprotection dans le cœur d’un assemblage sous-critique modéré au graphite à l’aide de réseaux de scintillateurs à matériaux multiples et Geant4

Ann Drakes
Ontario Tech University
Maîtrise en génie nucléaire

Co-author
Kirk D. Atkinson, Ph. D.
Professeur, Ontario Tech University

Introduction

Les neutrons démontrent des interactions dépendantes de l’énergie qui régissent la physique des réacteurs, le transport des rayonnements et les vitesses de réaction induites par les neutrons. Les spectres neutroniques des réacteurs comprennent des énergies de fission rapides à des distributions thermiques façonnées par la diffusion, la modération et l’absorption. Une caractérisation spatiale et énergétique précise est essentielle pour la conception du réacteur, la validation du modèle neutronique et la radioprotection.

Dans les assemblages sous-critiques, la population neutronique est maintenue par une source externe et les formes spatiales du flux dépendent fortement de l’emplacement de la source, de la géométrie du combustible et de la configuration du modérateur. La mesure des distributions spatiales du flux est donc essentielle pour valider les modèles Monte-Carlo, évaluer la multiplication sous-critique, soutenir la recherche en physique des réacteurs et améliorer l’évaluation des doses et du blindage.

De récents systèmes de détection miniatures basés sur les scintillateurs démontrent que les réseaux compacts peuvent fournir une cartographie spatiale du flux à haute résolution dans des environnements fortement modérés, avec une perturbation minimale du cœur. Cependant, l’étroitesse des canaux du modérateur limite l’intégration du détecteur. Les scintillateurs 6LiF:ZnS(Ag) couramment utilisés offrent une sensibilité thermique élevée, mais une réponse limitée aux neutrons rapides. Ces travaux répondent aux besoins d’un système de détection des neutrons intégré, à large spectre et réparti dans l’espace pour la recherche sur un assemblage sous-critique et la radioprotection.

Méthodes

Des simulations ont été effectuées à l’aide de Geant4 (GEometry ANd Tracking), une boîte à outils basée sur la méthode de Monte-Carlo développée au CERN afin d’optimiser la géométrie du détecteur et évaluer la faisabilité d’une cartographie tridimensionnelle du flux de neutrons. Geant4 a été utilisé pour modéliser les interactions nucléaires et le transport des photons optiques, y compris la génération de lumière de scintillation et les seuils de détection des SiPM (photomultiplicateurs au silicium). Les configurations des détecteurs suivaient une distribution en réseau afin de permettre la reconstruction des profils de flux spatiaux. Les listes des paramètres physiques sélectionnés étaient QGSP_BIC_HP pour le transport des neutrons de haute précision sous 20 MeV et la physique optique pour la modélisation réaliste des photons de scintillation, incluant le rendement lumineux, les interactions de surface et le couplage de fibres à décalage de longueur d’onde.

La géométrie du cœur du réacteur a été modélisée en utilisant les paramètres de l’assemblage sous-critique proposé à la Ontario Tech University. Un réseau de 15×15 modérateurs à colonnes de graphite, comportant des découpes pour des tiges de combustible ou de contrôle, a été construit avec 17 tiges de combustible d’uranium naturel gainées d’aluminium placées dans la région centrale. Des canaux étroits le long de chaque face du modérateur formaient des voies continues pour les fibres à décalage de longueur d’onde et les scintillateurs, avec deux détecteurs thermiques et deux détecteurs rapides positionnés à différents emplacements axiaux afin de former un réseau optimisé de détection du flux neutronique.

Pour les géométries de détecteurs compactes, le choix des matériaux est déterminant pour la détection efficace de neutrons rapides. Trois scintillateurs ont été modélisés : un détecteur thermique modéré (PEHD + 6LiF:ZnS(Ag)) et deux scintillateurs autonomes pour neutrons rapides (EJ-276 et CLYC). Les scintillateurs étaient directement couplés à la sortie d’un SiPM lors des simulations alors qu’en réalité les fibres à décalage de longueur d’onde guideraient la lumière de scintillation au photodétecteur.

Résultats

L’efficacité de détection et la réponse aux neutrons thermiques et rapides ont été analysées à l’aide d’une simulation Monte-Carlo Geant4, jetant les bases d’un système de cartographie tridimensionnelle de flux neutronique pour des réacteurs sous-critiques modérés au graphite. L’énergie déposée dans chaque scintillateur a été convertie en lumière détectable en utilisant le rendement lumineux spécifique au matériau, l’efficacité de transport optique et l’efficacité de détection des photons du SiPM, ce qui a permis d’établir un lien direct entre les interactions neutroniques et les signaux mesurables.

Des réponses spectrales et en hauteur d’impulsion distinctes ont été observées pour les scintillateurs évalués. Le scintillateur EJ-276 a démontré une large réponse aux neutrons rapides, dominée par la diffusion élastique neutron-proton, tandis que le CLYC a montré des caractéristiques marquées dépendantes de l’énergie s’étendant jusqu’à environ 8 MeV, en raison des canaux d’interaction tels que 35Cl(n,p). Les scintillateurs thermiques à base de 6LiF:ZnS présentaient des pics de capture étroits près de 1,5 à 1,8 MeV, avec le PEHD + 6LiF:ZnS affichant des distributions légèrement plus larges en raison de contributions mineures de la diffusion élastique. Le scintillateur EJ-276 produisait un spectre de recul continu avec un rendement lumineux relativement faible, tandis que le CLYC présentait la sensibilité aux neutrons rapides la plus large et le taux de comptage le plus élevé.

Les distributions reconstituées des flux de neutrons thermiques et rapides ont présenté un comportement spatial complémentaire. Les neutrons rapides ont montré une distribution régulière avec un pic central au sein du réseau de modérateurs, alors que les neutrons thermiques ont démontré des maxima localisés et une variation spatiale plus grande en raison de leur sensibilité à la thermalisation et à la vitesse de capture plus faible dans les écrans de 6LiF:ZnS minces. Ensemble, ces résultats démontrent que le réseau de détecteurs capture à la fois les caractéristiques de flux globales et locales au sein d’un assemblage sous-critique.

Conclusion

Cette étude a évalué des détecteurs à neutrons à scintillateurs compacts pour reconstituer les distributions de flux au sein d’un assemblage sous-critique modéré au graphite. Les simulations Geant4 ont démontré que le matériau du détecteur régit grandement la sensibilité énergétique et le comportement de scintillation. Le détecteur thermique 6LiF:ZnS a produit la signature de capture 6Li(n,α)t attendue, tandis que le scintillateur EJ-276 a permis de détecter des neutrons rapides grâce au recul neutron-proton, avec une résolution limitée. Le CLYC a démontré les meilleures performances pour les deux énergies, présentant des pics de capture thermique nets et des caractéristiques marquées de l’ordre des MeV issues des interactions 35Cl(n,p). Ces résultats confirment qu’un réseau de détecteurs thermiques et rapides combinés intégrant du 6LiF:ZnS et le CLYC est bien adapté pour la cartographie tridimensionnelle du flux et la caractérisation spectrale dans les assemblages sous-critiques.

Les travaux futurs intégreront la synchronisation de la forme d’impulsion afin de permettre la discrimination entre les neutrons et les rayons gamma et d’affiner l’emplacement des détecteurs pour améliorer la couverture énergétique. Les travaux expérimentaux comprendront la construction de prototypes de SiPM couplés à des fibres à décalage de longueur d’onde destinés à être déployés au sein de l’assemblage sous-critique proposé.