Les sources de spallation

En raison de plusieurs caractéristiques intrinsèques, les neutrons jouent un rôle fondamental dans l’étude des matériaux :

• Les neutrons sont des particules neutres qui se diffusent à partir des noyaux des atomes. Leurs propriétés de pénétration sont donc bien supérieures à celles des faisceaux d’ions ou des rayons X. Grâce à ce pouvoir pénétrant, les neutrons sont notamment utilisés pour établir des cartes en 3D mettant en évidence les contraintes qui s’exercent au cœur de dispositifs techniques de grandes dimensions, comme les blocs-moteurs.
• En outre, les neutrons tournent sur eux-mêmes (spin nucléaire), ce qui les rend très sensibles à l’emplacement et à l’orientation des moments magnétiques dans les matériaux. Les sondes à neutrons sont donc d’une grande utilité pour de nombreuses études sur le magnétisme.
• Du fait de leur masse, les neutrons peuvent transférer leur mouvement et leur énergie à un échantillon, ce qui constitue un avantage pour l’étude des vibrations fondamentales au sein des matériaux. Ces études nous fournissent des informations sur les forces des liaisons chimiques et des interactions magnétiques.

Les neutrons sont engendrés grâce à des réactions nucléaires qu’on déclenche à l’aide de réacteurs et d’accélérateurs. Une source de spallation est un accélérateur puissant qui projette des protons d’une énergie supérieure à 0,5 GeV (gigaélectronvolt) sur une cible de métal lourd (mercure ou tungstène, par exemple). Sous l’effet de l’impact, ces métaux produisent des « jets » de neutrons libres. Ils représentent la source de neutrons la plus brillante au monde dans le domaine de la recherche. Les accélérateurs pouvant facilement générer des impulsions, les sources de spallation sont généralement des sources de neutrons pulsés, ce qui n’est pas le cas de la plupart des réacteurs, qui génèrent un flux constant de neutrons.

L’AIEA, s’il y a lieu, aide les pays à mettre au point des sources de neutrons (réacteurs de recherche ou accélérateurs) et joue un rôle de coordination dans le développement des technologies. Elle travaille notamment sur un projet portant sur la conception d’un modérateur froid avancé. La quantité d’énergie dégagée par les neutrons rapides lors de la réaction initiale de spallation ou de fission est souvent trop importante pour une utilisation dans le cadre d’études des matériaux. Il est donc nécessaire de réduire cette énergie avant de projeter les neutrons sur l’échantillon. Les modérateurs utilisés à cet effet sont généralement de l’eau à l’état liquide (source thermique) ou une matière réfrigérée, à l’état solide ou liquide, qui a une forte teneur en hydrogène (source froide). L’AIEA mène un projet de recherche coordonnée portant sur la conception de modérateurs froids avancés dans l’objectif d’améliorer la conception et les performances des réacteurs et des sources de spallation dans le monde entier.

On envisage d’intégrer prochainement des sources de spallation dans des réacteurs hybrides, afin d’utiliser des neutrons de spallation non modérés pour brûler des déchets nucléaires ou générer du combustible nucléaire. Plusieurs projets sont élaborés à ces fins dans le monde.

Une liste complète des sources de spallation est disponible sur le Portail des connaissances sur les accélérateurs de l’AIEA.