Source compacte de neutrons: premières expériences réussies avec Iphi-Neutrons
Publié par Redbran le 08/11/2019 à 14:00
Source: CEA

(c)CEA
Une équipe Irfu-Iramis a réalisé les premières expériences utilisant les neutrons du démonstrateur Iphi-Neutrons - le prototype le plus avancé en Europe. Celles-ci confortent les choix technologiques opérés en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) du développement de la future source compacte de neutrons "Sonate".

La diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur...) des neutrons thermiques est utilisée par une très large communauté - 8.000 scientifiques en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) - pour l'étude de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) condensée et la science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction...). Jusqu'à présent, cette demande était satisfaite par des réacteurs nucléaires de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...), dont beaucoup sont aujourd'hui vieillissants, avec un arrêt programmé.

En 2023, la source européenne ESS (European Spallation Source) sera mise en service avec des faisceaux de neutrons près de cent fois plus intenses, ce qui permettra de raccourcir significativement la durée des acquisitions de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Mais à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie, littérature, et bien d'autres domaines :) 2030, les spécialistes pronostiquent qu'ESS ne répondra qu'à la moitié des besoins. C'est pourquoi les chercheurs étudient à la faisabilité de sources compactes de neutrons (Compact Accelerator-based Neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons,...) Sources, Cans) à partir d'accélérateurs de protons de basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Ils espèrent ainsi obtenir des performances qui se rapprochent de celles des réacteurs.

Avec le soutien de la région Île-de-France, des physiciens de l'Irfu et de l'Iramis développent depuis 2018 le démonstrateur Iphi-Neutrons, qui utilise Iphi (Injecteur de protons à haute intensité), un prototype de la partie basse énergie des accélérateurs de particules de future génération, à fort courant de protons.

Iphi-Neutrons est composé d'un accélérateur de protons d'énergie égale à 3 MeV (2 GeV pour ESS), d'une cible en béryllium ou lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) et d'un extracteur de neutrons. Sur des cibles de noyaux légers (9Be, 7Li), les protons incidents provoquent des réactions nucléaires qui s'accompagnent de l'émission de neutrons. Les neutrons produits sont ralentis grâce à un modérateur en polyéthylène puis extraits et dirigés vers l'expérience.

Une série d'expériences avec des neutrons produits par Iphi-Neutrons a été réalisée en 2019 avec une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 3 kW pendant 60 heures (L'heure est une unité de mesure  :): neutronographie, diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène...) de neutrons, réflectométrie de neutrons aux petits angles. Aucun endommagement de la cible n'a été observé. Ce point (Graphie) est particulièrement encourageant car la durabilité de la cible sous forte irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un...) est identifiée comme un point critique. La température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) élevée de la cible (500°C) faciliterait la diffusion des protons et permettrait d'éviter les phénomènes de cloquage.

Ces mesures sont très prometteuses pour la suite du programme, à savoir la validation des technologies qui permettront de construire une source encore plus performante (20 MeV, 50 kW): Sonate (Source of Neutrons at Thermal Energies). Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) Sonate vise à fournir, sous 10 ans, des faisceaux de neutrons pulsés à une dizaine de spectromètres de diffusion neutronique.

En savoir plus sur Sonate.

Des neutrons pour explorer la matière à l'échelle atomique et moléculaire

Dès la construction des premiers réacteurs nucléaires au début des années 1950, les neutrons thermiques ont été utilisés pour l'étude de la matière condensée. Les neutrons thermalisés à 300 K dans le modérateur d'un réacteur (Un réacteur peut désigner :) ont en effet une longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet,...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de l'ordre d'une fraction de nanomètre, idéale pour explorer la matière à l'échelle atomique et moléculaire.

Une deuxième propriété remarquable est que l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement....) de ces neutrons est de l'ordre de quelques meV, ce qui rend ces particules particulièrement sensibles aux excitations dans la matière condensée (phonons ou magnons). Sur les appareils les plus performants, la résolution de l'analyse en énergie des neutrons diffusés est de l'ordre de quelques neV.

Contrastant avec celles des rayons X, les autres propriétés remarquables des neutrons sont leur forte interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), particulièrement utile pour l'étude de la matière "molle", et leur forte interaction magnétique, essentielle pour la détermination des structures magnétiques.

Ces apports très spécifiques de la diffusion de neutrons à l'étude de la matière condensée ont conduit à la construction de réacteurs de recherche dédiés à la diffusion neutronique, comme le réacteur Orphée associé au Laboratoire Léon-Brillouin (UMR CEA-CNRS).

Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives

Acteur (Un acteur est un artiste qui incarne un personnage dans un film, dans une pièce de théâtre, à la télévision, à la radio, ou même dans des spectacles de rue. En plus de l'interprétation proprement dite, un acteur (ou...) majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, le CEA intervient dans quatre grands domaines: énergies bas carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), défense et sécurité, technologies pour l'information et technologies pour la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.).
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