Des sources de neutrons compactes pilotées par des accélérateurs à haute intensité (HiCANS) sont en phase de développement à travers l’Europe afin de pallier la pénurie de sources de neutrons thermiques liée à l‘arrêt de nombreux réacteurs nucléaires de recherche ces dernières années. Une nouvelle HiCANS a été mise au point au CEA-Saclay, s’appuyant sur l’accélérateur de protons à haut courant IPHI (3 MeV) et le convertisseur de protons en neutrons à lithium liquide SATELIT. En 2024–2025, une campagne expérimentale couronnée de succès a été menée, au cours de laquelle l’installation a fonctionné avec une grande fiabilité pendant près de 100 h avec une puissance de faisceau déposée de 10 kW sur la cible de lithium, pour une accumulation totale de puissance de faisceau de 840 kW.h, ce qui constitue une première mondiale à cette énergie de faisceau de protons.L’intégration d’un modérateur de neutrons optimisé autour de la cible a permis de fournir un flux de neutrons thermiques stable de l’ordre de 106 n.cm-2.s-1 à la sortie de l’enceinte de SATELIT, en accord avec la simulation réalisée avec le code TOUCANS basé sur Geant4. Les flux de neutrons obtenus sont suffisants pour de nombreuses applications neutroniques. Ces travaux démontrent qu’en couplant une boucle de lithium liquide cible à un accélérateur à haut courant, nous sommes en mesure de combler le vide en matière de sources de neutrons de moyenne énergie dans le paysage des sources de neutrons. Ces résultats, auxquels l’ensemble de l’Irfu et les équipes de la DES/ISAS/LECNA ont activement contribué, ont été publiés en avril 2026 dans Eur. Phys J. A [1] et ont même fait la une de la revue, présentée sur la Figure 1 !
Au cœur du campus de Saclay, le CEA a mené un projet ambitieux pour répondre à un besoin croissant en Europe : remplacer les réacteurs nucléaires de recherche aujourd’hui fermés, par des sources de neutrons compactes pilotées par des accélérateurs de haute intensité (HiCANS). C’est dans ce contexte que le projet SATELIT [2] a vu le jour, combinant un accélérateur de protons de haute intensité, IPHI, et un convertisseur proton/neutron innovant en lithium liquide, SATELIT.
L’accélérateur IPHI, capable de produire un faisceau de protons de 3 MeV avec une intensité pouvant atteindre 100 mA, a été utilisé pour irradier un film mince de lithium liquide. Ce choix est stratégique : à 3 MeV, le lithium produit jusqu’à cinq fois plus de neutrons que le béryllium, un matériau traditionnellement utilisé. Cependant, cette approche présente des défis majeurs. Le lithium doit être maintenu à une température comprise entre 220 °C et 250 °C pour rester liquide, et il doit circuler en boucle fermée sans se solidifier ni corroder les matériaux de la structure. Pour relever ces défis, les ingénieurs ont conçu une boucle de lithium liquide sur la base de l’expérience LiLiT à SOREQ [3], incluant une buse qui forme un film de 2 mm d’épaisseur, où les protons interagissent directement avec le lithium pour produire des neutrons via la réaction nucléaire 7Li(p,n)7Be. Le principe de fonctionnement de SATELIT est présenté sur la Figure 2, tandis qu’une photographie de son implémentation auprès de l’accélérateur IPHI est visible sur la Figure 3.
Autour de cette cible, un modérateur en polyéthylène a été positionné pour ralentir les neutrons rapides produits (E~1 MeV), les transformant en neutrons « thermiques » (E~25 meV), utilisables pour la recherche en science des matériaux ou en imagerie neutronique, comme le montre la Figure 4. Un système de blindages radiologiques, composé de couches de plomb et de polyéthylène boré, protège l’environnement des radiations.
En 2024 et 2025, une campagne expérimentale a été menée pour valider le concept. Pendant près de 100 heures, l’accélérateur a fonctionné à une puissance de 10 kW, avec un total de 840 kWh de puissance accumulée sur la cible, une première mondiale à cette énergie de protons. Les résultats, présentés sur la Figure 5, sont prometteurs : un flux de neutrons thermiques dépassant 106 n/cm²/s a été mesuré à 1.4 mètres de la cible, prouvant la viabilité de cette technologie pour de nombreuses applications, comme par exemple l’imagerie neutronique ou les thérapies médicales.
Derrière cette réussite se cache une collaboration pluridisciplinaire exceptionnelle. Les équipes de l’Irfu/DPhN ont optimisé les flux de neutrons à l’aide du code Monte Carlo TOUCANS/GEANT4. Les équipes des accélérateurs de Irfu/DACM ont ajusté le faisceau de protons de haute intensité pour garantir sa précision et sa stabilité. Les équipes d’ingénierie de Irfu/DIS ont développé, construit et instrumenté la boucle de lithium liquide (basée sur le design de la boucle LiLiT) et ses dispositifs de sûreté avec l’aide de l’équipe sûreté/sécurité de Irfu/DACM, tandis que les chimistes spécialistes des matériaux de la DES/ISAS/LECNA ont apporté leur expertise des métaux liquides et étudié les phénomènes de corrosion et fragilisation propres à ces milieux. Enfin, les équipes du SPRE ont assuré la radioprotection du personnel tout au long du projet que ce soit au niveau du dimensionnement de l’expérience que du suivi dosimétrique opérationnel.
SATELIT ouvre ainsi la voie à une nouvelle génération de sources de neutrons de type HiCANS, locales, compactes et accessibles, capables de répondre aux besoins des laboratoires sans dépendre des rares réacteurs de recherche. La prochaine étape consistera à trouver une solution pour gérer l’accumulation de 7Be produite lors de la réaction 7Li(p,n)7Be, afin de permettre une exploitation sur le long terme de cette technologie. Une belle réussite qui a été permise grâce à la mobilisation de l’ensemble des compétences dont dispose le CEA.
[1] L. Thulliez et al., “Neutron production with a 10 kW HiCANS based on SATELIT, a CEA-Saclay target with liquid lithium”, Eur. Phys. J. A 62, 79 (2026).
[2]«SATELIT a vu sa première circulation de lithium liquide » https://irfu.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=5007
[3] M. Paul et al. A high-power liquid-lithium target (LiLiT) for neutron production. J. Radioanal. Nucl. Chem., 305:783–786, 2015.
Contacts : L. Thulliez, A. Drouart, C. Veyssière