The radiative capture cross section of a highly pure (99.999%), 6.125(2) grams 238U sample ((9.56±05)e-4 atoms/barn) has been measured in the 185 m flight path at the CERN neutron time-of-flight facility n_TOF in the energy range 0.3 eV-20 keV. The Total Absorption Calorimeter (TAC) detection system, an array of 40 BaF2 crystals, was used utilising the total absorption technique, where all the γ-rays from the capture cascades are detected. These data have undergone careful background subtraction, with special care being given to the background originating from neutrons scattered by the 238U sample. Pile-up and dead-time effects have been corrected for using an innovative correction method valid for variable high count rates within a complex detection system such as the TAC. The resulting capture yield has an uncertainty of up to 2.2% below 5 keV and up to 3.7% between 5 and 20 keV, in line with the accuracy requested in the NEA High Priority Request List. A resonance analysis has been performed up to 5 keV with the code SAMMY. Between 5 and 20 keV, the cross section is treated as unresolved and averaged. The results confirm the excellent quality of the most recent nuclear data evaluations within quoted uncertainties and suggest some improvements. In particular, these TAC data suggest a 2% increase in the average cross section in the energy range 2-9 keV and a 5% reduction in the energy range 9-20 keV.

Canada accounts for 15% of the world’s uranium production (World Nuclear Association). The Athabasca Basin in northern Saskatchewan Canada contains a number of high grade, uranium ore deposits which occur at, or immediately below, an unconformity between Archean and Paleoproterozoic metasediments and intrusive rocks and overlying Proterozoic sandstones. The uranium ores are largely composed of high concentrations of uraninite and Pitchblende with naturally occurring 238U/235U ratios. U- 236 (half-life of 23.42 Myr) will be produced when 235U absorbs a neutron and the nucleus does not fission. Because it is so long lived, a small amount 236U can be maintained at equilibrium levels in the natural uranium ores. One of the main questions of this research is whether or not these equilibrium levels reflect higher grades or larger amounts of uranium minerals as a result of elevated neutron fluxes from 238U and subsequent neutron absorption on 235U. As well, are there other elements within the system that will absorb these neutrons, thereby reducing that which will impinge on 235U. In this study, we have estimated the amount of 236U that is produced by calculating the neutron flux from uranium and evaluating the effects of spatially related elements such as B, Sm and Gd using their elemental neutron cross- sections and abundances. In this project we have calculated and simulated theoretically the production of 236U and then test the theoretical calculations using measurements of uranium isotopes by accelerator mass spectrometry (AMS). Once we understand the factors controlling the 236U concentration, we hypothesize that the relationship between 236U and 238U can be used as a geochemical vector within uranium exploration, with the equilibrium level possibly distinguishing between primary mineralization and remobilization and reprecipitation of this U within spatially associated secondary U mineralization.

L’analyse de sédiments totaux et de fractions granulométriques de la rivière Gandak (Himalaya) a montré que la variabilité des séries de l’uranium observée pour les sédiments himalayens est contrôlée par leur évolution minéralogique et granulométrique plutôt que par le mécanisme d’altération. Cette conclusion questionne les travaux antérieurs et souligne la nécessité d’étudier la mobilité des radionucléides à échelle minérale. A cette fin, une approche sur fractions minérales a mis en évidence des processus d’échange entre les minéraux, avec une mobilité significative de 230Th, fortement appauvri dans les zircons, et 226Ra, enrichis en particulier dans la fraction argileuse. Les déséquilibres observés semblent induits par un processus d’altération récent, de quelque ka.Ces résultats sont confirmés par l’analyse des déséquilibres 238U-234U-230Th dans des minéraux par SIMS, qui montre un enrichissement en 230Th à la surface des monazites et une perte de Th (232, 230) dans les zircons. / The analysis of total sediments and grain-size fractions from the Gandak river (Himalaya) showed that the Uranium series variability observed for the Himalayan sediments is controlled by their mineralogical and grain-size evolution, rather than by the weathering process.This conclusion called into question the transfer timescale in Himalayan plains estimated by previous works and highlighted the need to explore radionuclide mobility at the mineral scale. For this purpose, an approach on pure mineral fractions pointed out exchange processes between the mineral phases, with a significant mobility of 230Th, strongly depleted in zircon, and 226Ra, particularly enriched in the clay fraction. The observed disequilibria are attributed to a recent weathering process of a few ky. Those observations are confirmed by the SIMS analysis of 238U-234U-230Th disequilibria on mineral grains, which show a 230Th enrichment at the grain surface in monazites and a loss of Th, 230 and 232, in zircons.

In der Arbeit werden nach einer detaillierten Beschreibung der eingesetzten Böden mit erhöhter Konzentration an den Radionukliden 210Pb, 226Ra, 227Ac, 230Th und 238U und der angewandten Analysenverfahren eine umfangreiche Übersicht über die Transferfaktoren Boden - Pflanze für die einzelnen Pflanzenteile der in der menschlichen Ernährung genutzten Gemüse und in Futterpflanzen vorgestellt. Die gammaspektrometrischen Bestimmungen von geringen Radioaktivitäten wurden einem Untertagemesslabor durchgeführt. Die Unterschiede in den Transferfaktoren für die Pflanzen und deren Teile und Böden und die Beziehungen zwischen Transferfaktoren und eluierbaren Anteilen der Böden, Pflanzenteile; sowie zwischen den radioaktiven Elementen Radium und Actinium und den Elementen Barium und Lanthan wurden dargestellt. Es wurde bei den Pflanzen eine Abnahme der Radioaktivität von der Wurzel über Stängel und Blatt zur Frucht festgestellt. Die Transferfaktoren für das bisher kaum bestimmten 227Ac ist relativ hoch und liegt in der Größenordnung der sehr konservativ angesetzten Richtwerte des Strahlenschutzes, während sie für die anderen Radionuklide weit unter den Richtwerten liegen. / The used soils with enhanced activity of the radionuclides 210Pb, 226Ra, 227Ac, 230Th, and 238U and the analytical methods for the determination of soil-plant transfer factors are described and a survey of the obtained values for parts of plants used for human nutrition are presented. Gamma spectrometric determination of low radioactivities has been performed in an underground laboratory. For comparison the factors are determined for the plants of similar elements Ba for Ra and La for Ac. In all cases the values decreases from the roots over the leaves to the fruits. The values for 227Ac are relatively high and are in the magnitude of the „Richtwerte“ for radiation protection, in spite of the other radionuclides, which are lower than the „Richtwerte“.

In der Arbeit werden nach einer detaillierten Beschreibung der eingesetzten Böden mit erhöhter Konzentration an den Radionukliden 210Pb, 226Ra, 227Ac, 230Th und 238U und der angewandten Analysenverfahren eine umfangreiche Übersicht über die Transferfaktoren Boden - Pflanze für die einzelnen Pflanzenteile der in der menschlichen Ernährung genutzten Gemüse und in Futterpflanzen vorgestellt. Die gammaspektrometrischen Bestimmungen von geringen Radioaktivitäten wurden einem Untertagemesslabor durchgeführt. Die Unterschiede in den Transferfaktoren für die Pflanzen und deren Teile und Böden und die Beziehungen zwischen Transferfaktoren und eluierbaren Anteilen der Böden, Pflanzenteile; sowie zwischen den radioaktiven Elementen Radium und Actinium und den Elementen Barium und Lanthan wurden dargestellt. Es wurde bei den Pflanzen eine Abnahme der Radioaktivität von der Wurzel über Stängel und Blatt zur Frucht festgestellt. Die Transferfaktoren für das bisher kaum bestimmten 227Ac ist relativ hoch und liegt in der Größenordnung der sehr konservativ angesetzten Richtwerte des Strahlenschutzes, während sie für die anderen Radionuklide weit unter den Richtwerten liegen. / The used soils with enhanced activity of the radionuclides 210Pb, 226Ra, 227Ac, 230Th, and 238U and the analytical methods for the determination of soil-plant transfer factors are described and a survey of the obtained values for parts of plants used for human nutrition are presented. Gamma spectrometric determination of low radioactivities has been performed in an underground laboratory. For comparison the factors are determined for the plants of similar elements Ba for Ra and La for Ac. In all cases the values decreases from the roots over the leaves to the fruits. The values for 227Ac are relatively high and are in the magnitude of the „Richtwerte“ for radiation protection, in spite of the other radionuclides, which are lower than the „Richtwerte“.

L’objectif de ce travail était de tester l’utilisation des radioisotopes naturels à courte période (234Th, 7Be et 210Pb) comme traceurs des transferts des particules dans le bassin versant de la Garonne-Dordogne-Gironde. Dans un premier temps, la faisabilité de la méthode basée sur le 234Th a été testée dans les rivières. Les résultats ont montré qu’une valeur de 5 mBq l-1 correspondant au seuil en 238UD est nécessaire pour l’application du 234Th en rivière. Dans un deuxième temps, le suivi sur deux années (2006-2007) des radioéléments naturels, 234Th, 7Be et 210Pb, et artificiels, 137Cs et 131I, dans le Lot, la Garonne et l’estuaire de la Gironde, a permis de distinguer les différentes étapes du transport des particules en relation avec l’hydrologie. L’atout de l’utilisation de ces traceurs est d’accéder à de premières estimations du temps de résidence des sédiments et du pourcentage des fractions anciennes et récentes. Dans le Lot et la Garonne, il existe une rétention des particules (2-89 jours) pendant l’étiage et les débits moyens, et de fortes remises en suspension des sédiments anciens à débits élevés. La moyenne du pourcentage des sédiments récents dans les rivières est d’environ 25 %, ce qui montre que les matériaux en suspension (MES) dans les rivières sont dominés par des sédiments anciens. Dans l’estuaire de la Gironde, le temps de résidence varie en fonction de l’hydrologie des rivières : pendant les périodes de forts débits, le temps de transit des particules de la Réole jusqu’à l’océan est seulement de quelque mois (~150 jours) ; alors que pendant les périodes d’étiage, l’âge des sédiments augmente dans la zone de turbidité maximum atteignant jusqu’à 400 jours. / The main objective of this study was to develop short-lived radioisotopes (234Th, 7Be and 210Pb) as tracers of particle transport in the Garonne-Dordogne-Gironde watershed. Firstly, the possibility to use 234Th/238U pair to study particle residence time in the Gironde fluvial-estuarine system was tested. The results show that dissolved 238U should be greater than 5 mBq l-1 to permit this application in fluvial systems. Secondly, the two years monitoring of natural radioisotopes, 234Th, 7Be and 210Pb, and artificial radioisotopes, 137Cs and 131I, in the Garonne and Lot rivers and in the Gironde Estuary, had allowed to observe the dynamic of particle transport, linked to the river flow. Based on this database, preliminary particle residence times and percentages of the new and old sediments were estimated. In the Lot and Garonne rivers, the particle retention ranges between 2-89 days during low and mean river discharges. The percentage of the new sediments is average 25 %, which indicates that the old resuspended sediments are dominated the suspended particulate matters (SPM). In the Gironde estuary, the particle residence time is mainly controlled by river discharge. The particle residence time during low river discharge is about 400 days. When the river discharge is increasing, the freshwaters are predominant in the estuary, the maximum turbidity zone (TMZ) is dispersed and the old sediments transported toward the ocean. During this period the particle residence time is only few months.

Neutron-induced fission has been studied at different excitation energies of the compound nucleus by measurements on the two fissioning systems, 252Cf* and 239U*. For the first time, the light fission fragment yields from the reaction 251Cf(nth, f) have been measured with high resolution. This experiment was performed with the recoil mass spectrometer LOHENGRIN at ILL in Grenoble, France. When the results from this work, where the compound nucleus is at thermal excitation, are compared to the spontaneous fission of 252Cf, enhanced emission yields as well as an increased mean kinetic energy is observed around A = 115. This suggests the existence of an additional super-deformed fission mode in 252Cf. The reaction 238U(n, f) was studied using the 2E-technique with a double Frisch grid ionization chamber. Fission fragment mass, energy and angular distributions were determined for incident neutron energies between 0.9 and 2.0 MeV. The experiments were performed at the Van de Graaff accelerator of IRMM in Geel, Belgium. This is the first measurement of the mass distribution for incident neutron energies around 0.9 MeV. The motivation for studying 238U(n, f) was to verify theoretical predictions of the mass distribution at the vibrational resonance in the fission cross section at 0.9 MeV. However, the predicted changes in fission fragment distributions could not be confirmed. A precise modelling of the fission process for the minor actinides becomes very important for future generation IV and accelerator driven nuclear reactors. Since fission fragment distributions depend on the excitation of the fissioning system, so does the number of delayed neutrons, which are one of the safety parameters in a reactor.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des études de "faisabilité" du stockage des déchets nucléaires en formations géologiques profondes. Elle s'intègre au programme de recherche conduit par l'agence française pour la gestion des déchets nucléaires (ANDRA) sur le site expérimental Meuse/Haute-Marne de type "argile", situé dans les formations sédimentaires Mésozoïques faiblement perméables de l'Est du bassin parisien. L'étude a pour objet la caractérisation de la migration des radionucléides naturels au sein de la formation argileuse Callovo-Oxfordienne cible et de ses encaissants carbonatés Oxfordien et Bathonien, afin d'estimer les propriétés de confinement à long terme de cette série sédimentaire. Elle repose sur l'analyse de haute précision des déséquilibres radioactifs au sein des familles naturelles de l'uranium et du thorium. L'intérêt de faire appel aux déséquilibres U-Th réside dans le fait qu'ils sont susceptibles, d'une part, de mettre en évidence et de caractériser les processus contrôlant la mise en solution et la migration in situ des radionucléides et, d'autre part, de fournir des indications temporelles sur les processus et perturbations physico-géochimiques auxquelles la formation géologique a été soumise sur des échelles de temps variables, selon les isotopes utilisés, mais pouvant atteindre jusqu'à deux millions d'années environ, via le déséquilibre 234U/238U. Les objectifs initiaux de l'étude étaient: i) de déterminer en particulier l'état d'équilibre -ou de déséquilibre- radioactif entre l'uranium-238 et son descendant l'uranium-234 (T1/2 (234U) = 245250 a) dans les formations profondes au sein desquelles le laboratoire expérimental de l'ANDRA est en cours d'implantation; ii) de caractériser, le cas échéant, les processus responsables des déséquilibres radioactifs observés; et iii) d'en préciser les implications chronologiques en ce qui a trait à la stabilité chimique de ces formations géologiques. Compte tenu de ces objectifs, la précision et la justesse analytique des mesures des déséquilibres radioactifs (234U/238U) sont apparues comme la clé de la réussite d'une telle entreprise. Une grande partie des travaux a donc été consacrée à la mise au point de l'analyse des déséquilibres radioactifs à l'aide d'un spectromètre de masse à multi-collection et source plasma (MC-ICP-MS). In fine, une reproductibilité analytique de l'ordre de 1‰ (2 s) pour la détermination du rapport 234U/238U sur échantillons géologiques a été obtenue. Haute précision et justesse analytique nous ont ainsi permis de démontrer un état d'équilibre radioactif 234U/238U dans les argilites Callovo-Oxfordiennes. Ce résultat indique l'immobilité de l'uranium dans la formation cible et, par suite, atteste d'un milieu chimiquement inactif et clos, du moins au cours de la période actuelle, pour ce qui concerne l'uranium et, par extension, les actinides naturels. Ce résultat est fondamental au regard de la problématique d'enfouissement des déchets radioactifs car il procure une confirmation in situ des capacités de confinement de la couche argileuse cible, dans les conditions physico-chimiques actuelles. A contrario, des déséquilibres (234U/238U) ont été systématiquement observés au niveau de zones soumises à des processus de pression-dissolution (stylolites) dans les formations carbonatées encaissantes de l'Oxfordien et du Bathonien. Ces déséquilibres témoignent d'une remobilisation discrète de l'uranium au cours des derniers deux millions d'années et donc de processus actifs de transport de matière au sein de ces formations. La répartition isotopique de l'uranium telle qu'elle a été révélée, par un sous-échantillonnage systématique au niveau des surfaces de pression-dissolution et par la réalisation d'analyses sériées perpendiculairement à un joint stylolitique, a permis de mettre en évidence une relocalisation de l'uranium depuis la surface stylolitique vers la matrice carbonatée de part et d'autre du stylolite. Bien que soumise à des transferts de matière, une zone stylolitisée fonctionnerait en toute vraisemblance en système fermé vis-à-vis de l'uranium. Ce résultat est surprenant tant ces formations profondes, fortement compactées et peu perméables, ne semblaient pas pouvoir être sujettes à des transferts de matière significatifs à l'échelle de temps des déséquilibres U-Th. Bien qu'il soit pour l'instant difficile de conclure de façon univoque à ce sujet, il est probable que ce phénomène traduit une stylolitisation encore active, ou tout du moins, une réactivation du phénomène au cours des deux derniers millions d'années.

<p> Speleothems are calcium carbonate deposits, such as stalagmites, stalactites and flowstones, formed in a cave environment by loss of carbon dioxide from saturated groundwaters. Variations in the 18o/16o ratio of calcite are related to changes in depositional temperature provided that the speleothem formed in isotopic equilibrium with its seepage water (conditions characterised by slow coloss and no evaporation of seepage water). Variations in 18o/16o of the seepage water will also be reproduced in the calcite but allowance for this effect can be made if 18o/16o ratio of the source (ocean water) can be estimated (from deep sea sediment cores) and if the influence of temperature on 18o/16o ratio of precipitation at the site can be determined. Because cave temperatures closely approximate mean annual surface temperature, the axial 18o/16o record of a speleothem is therefore an indication of paleoclimate and of temperature change over the period of its growth. </p> <p> The frequency distribution of age measurements for several speleothems from an area may also be used as a paleoclimatic indicator because cold or glacial conditions above the cave will inhibit speleothem growth by freezing water at the surface and removing vegetation and soil cover, the main source of CO2 for the limestone dissolution-reprecipitation process. </p> <p> Pure, non-porous calcite speleothems from several limestone regions have been dated in this study by the 230Th/234U method, and in cases of uranium-rich speleothems, by the 231Pa/230Th method also. For ten such cases, examined, good agreement of ages determined by both dating methods was found. </p> <p> Relatively few deposits however, have shown deposition under isotopic equilibriwn conditions, due probably to the well-ventilated nature of the caves studied. </p> <p> The age distribution for speleothem from Cascade Cave on Vancouver Island, B.C., indicates growth during the mid-Wisconsin interstadial dated as 65 -30,000 yrs. B.P. Stable isotope profiles for two speleothems which grew over this period both show values of 18o/16o ratios of calcite which are significantly lower than calcite growing in the cave today. This is the first clearly-defined record of such an occurence (in previous work, 18o/16o of fossil speleothem was generally greater than modern). Using estimates of the change in 18o/16o of ocean water from a Pacific deep sea core, and the value determined by Dansgaard (1964) for the temperature dependence of 18o/16o of precipitation for oceanic sites, a realistic paleotemperature record is derived. The results indicate that temperatures at the Cascade Cave site were about 4.0°C , 64,000 yrs. ago· and gradually declined to 0°c by 35,000 yrs. ago. These data are consistent with the findings of Canadian workers from 14c and palynological studies of fossil organic matter in the area, and do not support the proposal by some American workers of a major glaciation occurring between 35 - 40,000 yrs. B.P. </p> <p> The age distribution for 140 analyses of 82 speleothems collected from caves in north-west England show abundant deposition during the periods 130 -90,000 yrs. B.P. and 13,000 yrs. B.P. to present, with limited growth over the periods > 350 -170,000 yrs. B.P. and 70 -35,000 yrs. B.P. No ages were found to lie within the periods 170 -140,000 yrs. B.P. and 35-15,000 yrs. B.P. These intervals are correlated to the Wolstonian and Devensian glaciations respectively. </p> <p> Only four speleothems were found to have grown in isotopic equilibrium with their seepage waters, and one of these showed periods of non-equilibrium deposition. In contrast to the Vancouver Island results, 18o/16o all ratios were found to be greater than or equal to modern, indicating that the apparent oceanic location of this site is not expressed in the on the value for temperature dependence of 18o/16o precipitation. </p> <p> An oxygen isotope profile for a flowstone dated between 126,000 and 109, 000 yrs. B.P. shows 18o/16o ratios commencing at values slightly lower than for modern calcite and shifting to still lower values at about 112, 000 yrs. B.P. This shift may indicate a cooling event perhaps carrelative with the isotope stage 5e-5d transition seen in the deep sea core record. A profile for a flowstone over the period 290 -190,000 yrs. B.P. shows excellent correlation to interglacial stages 9e and 7c seen in the deep sea core record, and a pronounced growth hiatus dated at about 250 210,000 yrs. B.P. correlates with glacial stage 8. These are the first speleothem results to show a climatic record beyond 200,000 yrs. B.P. </p> <p> The differences in 18o/16o behaviour for speleothems from the two locations (N .E. Pacific and ..E. Atlantic) are interpreted in terms of their relative proximity to the ocean, potential for exchange of water vapour and 'rainout' by airmasses moving towards the cave sites, and possibility of change in meteorological conditions (principally storm track) over the periods studied. </p> <p> In a subsidiary study, evidence for major sea level lowering during the Illinoian glaciation is recognised by age determinations on the calcite core of speleothems collected at 45m below present sea level from a 'blue hole' near Andros Island in the Bahamas. </p> <p> The possibility of applying the 234U/238U dating method to speleothem is also investigated in this work, by the analysis of modern calci tes and their seepage waters, using a new method for uranium extraction from groundwater. However the variations in 234U/238U ratios observed over short distances in the same cave demonstrate that estimation of initial fossil 234U/238U in the speleothem cannot simply be made by averaging modern ratios for the cave. </p> <p> Consideration is also given to the temperature dependent distribution of trace elements in calcite, particularly magnesium and strontium. Analyses of modern calcites and waters show that Mg incorporation is strongly temperature dependent whereas Sr is not. The possibility of using Mg variations in fossil speleothem as indication of temperature change is briefly examined but the results for one sample are found to be inconclusive. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)