La diffusion des neutrons thermiques est une technique utilisée par près de 8000 utilisateurs en Europe pour l’étude de la matière condensée et la science des matériaux. Cette technique a connu un âge d’or dans les années 2000, avec la fourniture de près de 35 000 Jours.Instruments pour les utilisateurs. Le paysage de la neutronique Européen est cependant en pleine mutation en raison de la fermeture progressive des réacteurs de recherche vieillissants. Une installation majeure, l’European Spallation Source, est en construction en Suède, mais elle ne pourra remplacer à elle seule l’ensemble du tissu des installations actuelles.
Depuis 2016, l’IRAMIS – Institut Rayonnement Matière et l’IRFU – Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers considèrent la possibilité d’utiliser des accélérateurs de protons à basse énergie (Ep < 50 MeV [1]) pour construire des sources de neutrons ayant les performances nécessaires pour remplacer les réacteurs de recherche de moyenne puissance, tel Orphée à Saclay. La région Ile-de-France supporte la construction d’un premier démonstrateur comprenant un accélérateur, un ensemble cible-modérateur et un instrument de diffusion neutronique pour valider l'ensemble des composants d’une telle source. Ce démonstrateur, baptisé « IPHI – Neutrons », utilise l’accélérateur IPHI (Injecteur de Protons à Haute Intensité) du CEA Saclay. Les premières mesures de diffusion neutroniques ont été réalisées au printemps 2019.
[1] à comparer à Ep = 2 GeV pour le grand instrument ESS.
Dès la construction des premiers réacteurs au début des années 1950, les neutrons thermiques ont été utilisés pour l’étude de la matière condensée. Les neutrons thermalisés à 300K dans le modérateur d’un réacteur ont en effet une longueur d’onde 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 de ces neutrons est de l’ordre de quelques meV ce qui rend ces particules particulièrement sensible aux excitations dans la matière condensée (phonons – 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 avec les atomes d’hydrogène, 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. À partir des années 1980, des sources à spallation ont été construites. La spallation est une réaction nucléaire produite par l'impact d'une particule incidente de forte énergie (protons de ~1 GeV) sur des noyaux lourds, pouvant produire un faisceau intense de neutrons. Ces nouvelles sources, devenues compétitives avec les réacteurs de recherche, devraient prochainement fournir des performances supérieures aux réacteurs de recherche avec la construction l’European Spallation Source (ESS) en Suède. Ces sources à spallation permettront de remplacer les sources issues du cœur des réacteurs nucléaires, mais à des coûts de construction et d’exploitation équivalents à ceux des réacteurs.
Le contexte politique est tel qu’aucun nouveau projet de réacteur de recherche n’est envisagé en Europe, alors que plusieurs des réacteurs de recherche actuels devront fermer. La décennie à venir est ainsi une période charnière pour la diffusion neutronique. Si aucune mesure n’est prise, la fourniture de jours de faisceaux de neutrons sera divisée par 2 à l’horizon 2030 [1].
L’IRFU et l’IRAMIS considèrent depuis 2016, le potentiel des Sources de Neutrons Compactes (CANS, Compact Accelerator-based Neutron Sources). Dans ces installations, la production des neutrons utiliserait une réaction de fractionnement de noyaux légers (Be ou Li) par des protons de basse énergie (Ep < 30 MeV). Un premier démonstrateur a été construit en 2018 sur la base de l’accélérateur IPHI à Saclay avec un support de la région Ile-de-France.
Un des problèmes clé de ces installations est la durée de vie de la cible sous la forte irradiation par les protons, dont le courant moyen est de plusieurs mA. Au printemps 2019, une première série d'expériences a été réalisée avec une puissance de 3kW pendant 60 heures. L’objectif était de valider à la fois le refroidissement thermo-hydraulique de la cible, mais surtout sa durabilité sous forte irradiation. Cependant, aucun endommagement n’a été observé ! La température élevée de la cible (500°c) facilitent en effet la diffusion des protons, à même d’éviter les phénomènes de cloquage.
Les premières mesures réalisées sur le dispositif IPHI-Neutrons sont ainsi très prometteuses pour la suite du programme : l’année 2020 sera consacrée à la montée en puissance faisceau à 50 kW et à la finalisation du spectromètre de diffusion de neutrons pour réaliser des expériences de façon plus efficace. Cette installation aura pour objectif de valider les technologies qui permettrons de construire une source encore plus performante (SONATE : Source of Neutrons at Thermal Energies) pouvant fournir des faisceaux de neutrons pulsés à une dizaine de spectromètres de diffusion neutronique [2].
Références :
[1] ESFRI Report, Neutron scattering facilities in Europe, Present status and future perspectives, 2016.
[2] Le projet SONATE.
Contact CEA-IRAMIS : Frédéric Ott LLB/NFMQ – Laboratoire Léon Brillouin – UMR 12 CEA-CNRS
Contact CEA-IRFU : Jérôme Schwindling (IRFU/LEDA)
Le projet IPHI-Neutron a reçu le soutien de la Région Ile-de-France.
