Vers une utilisation des dispositifs de fusion inertielle comme source de neutrons pour l’analyse ?

Une équipe de scientifiques britanniques propose d’utiliser les dispositifs de fusion par confinement inertiel comme source de neutrons pour l’analyse de la matière par spectroscopie et diffraction. Ces chercheurs sont tous, à l’exception d’un professeur de cristallographie physique de l’Université d’Edimbourg, issus du Rutherford Appleton Laboratory (RAL, Didcot, Council for the Central Laboratory of the Research Councils) ; ils travaillent soit sur ISIS, la source de neutrons par spallation du RAL, soit au sein de la Central Laser Facility (CLF) du RAL qui héberge les lasers de puissance Astra et Vulcan. En particulier, Andrew Taylor, directeur d’ISIS, et Mike Dunne, directeur de la CLF, font partie des signataires de l’article paru dans le numéro du 23 février 2007 de la revue Science. Dans ce document, les scientifiques britanniques passent en revue les possibilités offertes pour le développement de sources pour la diffusion de neutrons ; ils suggèrent aussi qu’un rapprochement avec le domaine en rapide évolution de la fusion par confinement inertiel pourrait améliorer les performances considérablement.

Les chercheurs britanniques partent du constat que les progrès réalisés en terme de puissance pour les sources de neutrons, quel que soit leur type, restent bien inférieurs à ceux que l’on a pu constater pour les sources de lumière. Ainsi, la brillance des sources de neutrons n’a progressé que d’un facteur dix au cours des quarante dernières années tandis qu’en vint ans, de 1980 à 2000, le passage de la deuxième à la troisième génération de synchrotrons a vu une augmentation de flux de lumière de 10e6…

Et les auteurs de l’article remarquent qu’il en va de même pour l’avenir : la source de neutrons la plus puissante dont l’étude de conception ait été financée est la Source Européenne de Spallation (ESS, pour European Spallation Source). Or, l’ESS ne fournirait qu’un flux de neutrons 10 à 20 fois supérieur à celui d’ISIS. Cette augmentation du flux permettrait certes d’atteindre une bien meilleure résolution spatiale ou temporelle : des mesures, à l’heure actuelle impossibles, pourraient alors être effectuées sur des échantillons de petite taille ou de très courte durée de vie. Mais, selon les auteurs de l’article, ces avancées, aussi excitantes soient-elles, ne seraient qu’incrémentales car les technologies actuelles atteignent leurs limites. En fait, deux types de sources de neutrons sont actuellement utilisés : les réacteurs de fission nucléaire (comme celui de l’Institut Laue-Langevin, ILL, à Grenoble) et les sources pulsées par spallation (comme ISIS). Dans le cas de ces dernières, les neutrons sont créés lors de l’éclatement d’une cible de métal lourd par un faisceau de protons issu d’un accélérateur. Ces deux types de sources présentent des limitations techniques liées au refroidissement de la machine, à la déposition de chaleur et aux dégâts occasionnés par le rayonnement.

Les scientifiques britanniques se tournent donc vers le domaine de la fusion par confinement inertiel, notamment le procédé à allumage rapide (voir encadré). Ils estiment en effet que le rendement de production de neutrons susceptible d’être obtenu par fusion est nettement supérieur à celui atteint grâce aux approches fondées sur des réacteurs ou des accélérateurs (comme ISIS ou l’ILL) : cette nouvelle source serait mille fois plus puissante que les meilleures installations actuelles. Ils proposent donc le principe de conception d’une source de neutrons fondée sur la fusion inertielle à allumage rapide. Les scientifiques britanniques passent en revue les divers défis techniques qui se présentent et proposent des solutions pour les résoudre.

La fusion par confinement inertiel
La fusion par confinement inertiel constitue, pour la production d’énergie, une voie alternative à la fusion par confinement magnétique (la méthode utilisée pour ITER).

Dans le cas du confinement inertiel, des lasers sont utilisés pour compresser une petite capsule de Deutérium et de Tritium, à des densités et des températures suffisamment élevées pour initier une réaction thermonucléaire au cours de laquelle ces noyaux fusionnent pour former des particules alpha énergétiques (3,5 MeV) et des neutrons de haute énergie (14 MeV). L’énergie nécessaire pour obtenir l’allumage de la capsule a été définie dans les années 1980 grâce à des expériences menées aux Etats-Unis. Il s’agit maintenant de démontrer la faisabilité du procédé sur une installation pilote puis de développer la technologie associée à une centrale de production d’énergie. La prochaine étape majeure correspond à la construction et la mise en œuvre de lasers d’une énergie d’environ 2 MJ aux Etats-Unis (National Ignition Facility) et en France (Laser MégaJoule).

Un des obstacles techniques majeurs que les chercheurs ont à surmonter dans le domaine de la fusion inertielle est la cadence de répétition des lasers qui devrait être de l’ordre de 5 Hz pour une centrale électrique commerciale. Mais, pour la génération actuelle de lasers utilisés pour la fusion, il s’écoule plusieurs heures entre deux impulsions. Le développement de la technique d’allumage rapide (fast ignition) devrait permettre de réduire l’énergie des lasers d’un ordre de grandeur et, ainsi, de diminuer le coût de l’installation et de faciliter l’obtention de cadences de répétition élevées. Dans le cas de l’allumage rapide, une capsule est d’abord compressée jusqu’à atteindre une densité modérément élevée à basse température. Après 10 nanosecondes, une fois le point de compression maximum atteint, un second laser de courte impulsion et de haute intensité est utilisé pour allumer le cœur compressé ; ceci résulte en une émission intense et isotrope de neutrons de 14 MeV d’énergie. Pour que cet allumage soit efficace, il peut être nécessaire d’insérer un cône métallique, en or par exemple, dans la pastille pour permettre à l’impulsion d’allumage d’atteindre le centre du plasma compressé.

Il s’agit tout d’abord de ralentir les neutrons qui seraient produits à une énergie d’environ 14 MeV lors de la réaction de fusion. En effet, pour l’étude par diffusion des structures et des excitations de la matière condensée, les neutrons doivent être ralentis à environ 1 eV. Selon les auteurs de l’article, ceci pourrait être réalisé en utilisant de l’eau comme modérateur1. Toutefois, si le pouvoir de modération de l’eau est insuffisant pour des énergies de 14 MeV (le bain serait alors semi-transparent pour les neutrons), il pourrait être considérablement amélioré en plaçant une feuille de plomb d’environ 30 mm d’épaisseur à la surface du réservoir d’eau. Cette feuille permettrait de convertir l’énergie des neutrons de 14 à 2 MeV à travers des réactions inélastiques aux cours desquelles un neutron incident donne naissance à deux ou plus neutrons émis. Le passage de 14 à 2 MeV permet alors de plus que doubler l’efficacité de diffusion de l’eau. La couche de plomb sacrificielle servirait également à protéger le dispositif modérateur : en la faisant défiler devant la paroi de chaque élément modérateur, on s’assurerait qu’une surface à la fois froide et intacte soit présentée pour chaque impulsion (l’équipe estime que l’ablation du plomb s’éleverait à 100 mm/heure). Les scientifiques envisagent également de placer une mince couche de plastique devant la feuille de plomb, car il est selon eux préférable, pour des raisons de gestion des déchets, de remplacer autant de plomb érodé que possible par du plastique érodé.

Le dispositif défilant réduirait le chauffage du modérateur, contrecarrerait le problème des ondes de choc causées dans l’eau par les flux de rayonnement gamma et de neutrons rapides et protégerait le dispositif modérateur de l’ablation par les rayons X de haute énergie et les ions chargés. Afin d’explorer la faisabilité de ce projet, les chercheurs britanniques ont conçu une cible et un dispositif de modération théoriques en utilisant des programmes de simulation Monte-Carlo de transport de neutrons. Ils ont également pris en compte la température de fonctionnement de l’élément modérateur.

Outre les problèmes d’ablation, les matériaux du dispositif de modération subiraient également des dégâts dus au rayonnement : l’équipe britannique estime que le dispositif de modération devrait pourvoir être remplacé entièrement de façon routinière, chaque mois. Enfin, il est fort probable que l’installation proposée consomme plus de 10 kg de Tritium par an, soit l’équivalent de 50 % du stock mondial actuel. Toutefois, des techniques sont en cours de développement, dans le cadre des recherches sur la fusion thermonucléaire, pour parvenir à produire tout le Tritium nécessaire : il pourrait être fabriqué en faisant réagir les neutrons avec une couche de lithium et de plomb intégrée dans les murs de l’enceinte de confinement externe (6Li + n -> 4He + 3T). De plus, les chercheurs britanniques estiment que la technologie d’allumage rapide pourrait éventuellement mener à des dispositifs pour lesquels seules des quantités très faibles de Tritium seraient nécessaires. L’étape de production externe de Tritium pourrait alors être minimisée ou totalement évitée.

En conclusion, les chercheurs du Rutherford Appleton Laboratory estiment donc qu’un rapprochement entre le domaine de la diffusion des neutrons de celui de la fusion par confinement inertiel pourrait mener à une augmentation révolutionnaire de la brillance des sources de neutrons. Quoique la conception de sources de neutrons suivant ce principe pose des défis considérables, les scientifiques britanniques ne pensent pas avoir trouvé de barrières, techniques ou physiques, qui la rendraient irréalisable de façon évidente. Selon eux, il serait donc opportun que la communauté de la diffusion de neutrons s’intéresse de très près au développement de la fusion par confinement inertiel et imagine les possibilités qui pourraient découler d’une augmentation importante de la puissance de la source.


Sources : Science, 315, 1092(2007) ; CCLRC, 23/02/07



Auteur : Dr Anne Prost

publié le 09/07/2008

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