Département de Physique Nucléaire

L’Irfu, en collaboration avec l’Isas (DPC/SCCME), a développé un prototype de boucle de circulation de lithium liquide. Installée au bout d’une ligne accélératrice de protons, cette technologie permettra de produire des neutrons. Elle complétera ainsi le catalogue d’instruments de production de neutrons, suite à l’arrêt de certains réacteurs. Son principe repose sur l’utilisation de lithium (Li) liquide dans une boucle en acier où une buse expose le lithium au faisceau de protons. La première phase d’étude, SATELIT (Saclay Target with Lithium), a observé une première circulation du Li liquide pendant plusieurs heures. La prochaine étape du projet sera de tester cette technologie avec le faisceau produit par l’accélerateur IPHI pour créer les premiers neutrons courant 2022.

L'objectif visé dans la construction de la réalisation de sources compactes de neutrons à base d’accélérateurs à fort courant est de permettre de réaliser, sur ces sources, des expériences de diffusion de neutrons, avec pratiquement la même qualité que celles réalisées auprès des lignes neutrons issues de réacteurs de recherche de type Orphée*.

Ces sources sont réalisées à partir d'un faisceau de protons de moyenne énergie (3-50 MeV) et haut courant (~ 100 mA) frappant une cible d’un matériau léger comme le béryllium, qui émet alors des neutrons. Pour être utilisable de manière routinière, la cible doit pouvoir résister sur de longues durées à une forte irradiation sans perte de performance.

Les équipes de l'Irfu (DACM, DEDIP, DIS, DPhN) et du LLB réunies ont réalisé une cible béryllium implantée en sortie de l'injecteur de protons à haute intensité - IPHI (3 MeV) à Saclay. Ils montrent qu'avec ce dispositif il est possible d'obtenir l'intensité de neutrons nécessaire pour réaliser une expérience de diffraction dans un temps raisonnable, démontrant la compétitivité d'une telle source pour la diffusion de neutrons par rapport aux réacteurs nucléaires actuels de petite et moyenne puissance.

*Ancien réacteur de recherche de Saclay, aujourd'hui fermé. 

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.

Le 27 août 2019, un équipement clé de l’accélérateur linéaire a été livré par la France à la collaboration ESS (European Spallation Source) à Lund, en Suède, au titre de ses contributions en nature à la source de neutrons européenne de nouvelle génération. Il s’agit de la première structure accélératrice, baptisée RFQ (quadrupôles radiofréquence). Ce RFQ a été conçu, développé et fabriqué par le CEA, partenaire français, au sein de l’Irfu, l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers.

L’ESS (European Spallation Source) dont la construction a démarré en 2013 à Lund en Suède, sera la source de spallation la plus puissante au monde. Dans le cadre de ce projet, l’Irfu vient de livrer ses deux premières contributions : un diagnostic optique et un émittancemètre. En effet, il est indispensable de contrôler différents paramètres dont la pureté du faisceau ainsi que sa vergence qui sont tous deux sous la responsabilité de l’Irfu. L’institut a donc été en charge de la construction de deux émittancemètres et d’un diagnostic optique. Ce dernier mesure la pureté du faisceau grâce au décalage Doppler. Les différentes espèces d’ions ont une énergie identique mais pas la même masse, donc des vitesses différentes, ce qui génère des décalages Doppler en fonctions des types d’ions. La pureté attendue est de l’ordre de 80% ce qui a été obtenu lors des tests à Catane. Le deuxième contrat de l’Irfu concerne le développement d'émittancemètres qui contrôlent la vergence du faisceau. Ils viennent de terminer leur dernière session de tests en janvier 2016 démontrant de très bonnes performances. La livraison de ces diagnostics et le succès des « Acceptance Tests » par l’ESS permettent de clore deux contrats signés entre le CEA et l'ESS dans le cadre de la contribution en nature de la France à cette source de neutrons.

Le projet FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) de l’accélérateur d’ion lourds (GSI) en Allemagne, rassemble plusieurs thématiques de physique: celle des noyaux exotiques, la physique hadronique, l’étude des réactions d’ions lourds relativistes mais aussi la physique des plasmas et la physique atomique. Dans le cadre de la collaboration CEA/Irfu avec GSI, l’Irfu contribue à l’accélérateur linéaire (linac) à protons. Depuis 2011, les équipes du SACM et du SIS ont conçu, exécuté les plans, lancé en fabrication et installé les différents composants de l’injecteur. le 5 novembre 2015, la source a produit son premier plasma d’hydrogène avec une puissance injectée par le magnétron de 80 Watts, pulsé à 4 Hz. Ce premier résultat est un jalon important du projet et une première étape franchie avec succès pour le fonctionnement de l’injecteur.