Source Alternative Française SONATE CANS


Sources de Neutrons Compactes à Haute Brillance



Qu’est-ce qu’une source de neutron compacte basée sur un accélérateur ?



Une source de neutrons basée sur un accélérateur est composée des éléments suivants :

  • une source de protons ou de deutons produisant un faisceau de particules à des énergies de l’ordre de 100 keV avec une intensité crête de 100mA ;
  • un étage RFQ (Radio-Frequency Quadrupôle) dont le rôle est de mettre en forme le faisceau d’ions continu et d’assurer une première accélération jusqu’à une énergie de quelques MeV ;
  • des étages d’accélération supplémentaires pour augmenter l’énergie des ions jusqu’à l’énergie souhaite (plusieurs 10 MeV) ;
  • des lignes de transport vers la cible ;
  • une cible constituée d’un matériau générant des neutrons lors de l’interaction avec des protons ;
  • un modérateur et un réflecteur dont le rôle est de ralentir les neutrons jusqu’à l’énergie demandée par les utilisateurs finaux (typiquement de 2 à 100 meV) ;
  • plusieurs lignes de faisceaux de neutrons apportant les neutrons aux spectromètres.


Alors que dans un réacteur, le nombre de neutrons produits est de l’ordre de 1018 n/s, le flux de neutrons sur un échantillon est de l’ordre de 107 n/s. Seule une fraction de l’ordre de 10-10 des neutrons produits est réellement utilisée. Cela entraîne des effets secondaires en termes de blindage. Dans une CANS (Compact Accelerator based neutron Source), le terme « Compact » se réfère à l’assemblage Cible-Modérateur-Réflecteur (CMR) qui peut être rendu très petit (quelques litres) par rapport aux modérateurs de réacteur (D20) dont le volume se situe dans la gamme du m3. Par conséquent, alors que le nombre brut de neutrons produits sur une CANS peut être faible, une brillance élevée de la source peut être obtenue dans le petit volume de la CMR. La fraction de neutrons utiles est beaucoup plus importante. Toute la philosophie d’une sources de neutrons compactes est de "produire ce dont on a besoin". La source entière est également physiquement compacte (10 à 30 m de long) par rapport aux installations de spallation (600 m de long) fonctionnant à des énergies de protons très élevées (∼ 1 GeV).
 


Une CANS typique composée d’une source d’ions, d’une section RFQ
et d’une section DTL pour amener l’énergie des protons jusqu’à
20-30 MeV. La longueur de la machine est de 20 à 30 m.




Performances attendues pour la diffusion de neutrons sur une source compacte à haute brillance


En Europe, plusieurs instituts envisagent des installations CANS à haute brillance utilisant les dernières technologies disponibles. Le CEA a considéré un design de référence (SONATE) avec les paramètres suivants : Ep = 20 MeV, Ipeak = 100 mA, cycle utile = 4%, P = 80 kW. Ces paramètres ont été choisis en partie parce qu’ils correspondent aux 20 m premiers mètres du LINAC de l’ESS (sur 600 m). Par conséquent, les composants (Source, RFQ et DTL) sont disponibles sans développement de R&D. Les simulations Monte-Carlo (MCNP - GEAN4) suggèrent qu’une brillance de 1.2x1011 n/cm²/s/sr peut être obtenue à la sortie du modérateur. Cette valeur de brillance a été utilisée comme entrée dans les simulations d’instruments Monte-Carlo (utilisant McSTAS) Le tableau ci-dessous compare les performances de différentes techniques de diffusion en termes de flux au niveau de l’échantillon en terme de neutrons/cm²/s). Les calculs suggèrent qu’une CANS à haute brillance peut fournir des performances équivalentes à des réacteurs de moyenne puissance.
 



Comparaison des performances des différents types d’instruments en terme de flux sur l’échantillon (n/cm2/s) :
(rouge) instruments de référence sur différentes installations (LLB – ISIS – ILL) ;
(bleu) déplacement des instruments existants du LLB sur SONATE ;
(vert) performances après amélioration technique des instruments.




Etat des lieux en France


Dans le cadre du projet CMR50 (Cible-Modérateur-Réflecteur 50 kW), le Département d’Ingéniérie des Systèmes, le DACM (Département de Physique Nucléaire), le SPR (Service de Protection contre le Rayonnement) et le Laboratoire Léon Brillouin travaillent sur un assemblage de cible - réflecteur (et son blindage) pouvant supporter un faisceau de protons de 50 kW. Le projet s’étend sur la période 2017-2019. Des premières mesures de temps de vol ont été effectuées sur l’installation IPHI en 2016 pour valider les simulations Monte-Carlo. D’autres essais sont prévus pour acquérir des données d’entrée fiables pour les simulations. L’objectif est de pouvoir financer la construction d’un instrument de "démonstration" qui fonctionnerait à Ep = 3 MeV sur l’installation IPHI à Saclay (projet SESAME "IPHI-Neutrons"). Parallèlement, nous essayons de créer des liens avec d’autres partenaires européens. Une collaboration PRCI a été proposée pour formaliser une collaboration CEA / JCNS sur les aspects TMR et sur les sources froides en particulier. Un projet d’étude de conception H2020 (CAN4EU) a été soumis avec un certain nombre de partenaires européens (JCNS, INFN, CNR, ESS-B, KFKI, PSI, CEA, CNRS / LPSC). L’objectif de ce projet est de proposer une vision cohérente d’un réseau de sources CANS en Europe à moyen terme.
 


(gauche) En blanc un modérateur en poly-éthylène placé autour d’une cible Be sur l’accélérateur
IPHI à Saclay. (droite) Simulations Monte Carlo du flux à l’intérieur du modérateur avec 2
modèles physiques différents (courbes rouge et bleu) et mesures expérimentales avec des
pastilles d’or (points noirs).



Liens



Sources CANS existantes et projets




Documents techniques et prospectives


  • Page web du LLB
  • Focus Point on Compact accelerator-driven neutron sources [ Eur. Phys. J. Plus ]
  • Lavelle et al., 2008, Neutronic design and measured performance of the Low Energy Neutron Source (LENS) target moderator reflector assembly [ NIM A | arXiv ]
  • Rucker et al., 2016, The Jülich high-brilliance neutron source project [ Eur. Phys. J. Plus ]
  • Fabrèges et al., 2016, Performances of Neutron Scattering Spectrometers on a Compact Neutron Source [ arXiv ]
  • Menelle et al., 2016, Neutrons production on the IPHI accelerator for the validation of the design of the compact neutron source SONATE [ arXiv ]



Présentations / séminaires / conférence



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