VII - NEUTRONS
Les sources de neutrons constituent un autre outil essentiel d'analyse fine de la matière, à l'instar du rayonnement synchrotron.
Du fait des propriétés particulières des neutrons, il s'agit d'un outil complémentaire du rayonnement synchrotron, plutôt qu'un moyen de substitution.
Les neutrons interagissent avec les noyaux des atomes, au contraire des photons qui interagissent avec le cortège électronique des atomes. La masse et la vitesse des neutrons utilisés en font une sonde unique pour l'étude des structures de la matière, à des échelles qui vont de l'atome au micron. Simultanément, les neutrons donnent accès à la dynamique de ces structures.
Par ailleurs, en tant que particules dotées d'un moment magnétique, les neutrons sont également une excellente sonde magnétique.
Au demeurant, étant donné l'absence de " mini-sources " de neutrons propriétaires, c'est-à-dire à la portée d'un seul laboratoire, les expériences réalisées sur les sources de neutrons ne peuvent pas être préparées en amont.
Dans le domaine de la biologie, si le rayonnement synchrotron est particulièrement performant pour l'étude des macromolécules cristallisées et en particulier des protéines, en revanche les sources de neutrons sont bien placées pour l'étude des protéines en solution ainsi que pour l'étude de parties de molécules réalisée avec des procédés de marquage.
1. Les sources de neutrons en fonctionnement sur le sol national
Après l'arrêt en décembre 1997 du réacteur SILOE de 35 MW, sont opérationnelles sur le sol français les sources de neutrons du Laboratoire Léon Brillouin (réacteur Orphée de 14 MW) et de l'Institut Laue-Langevin (réacteur de 57 MW).
Le Laboratoire Léon Brillouin (LLB) a la responsabilité d'exploiter les 25 instruments installés autour du réacteur de type piscine Orphée. Le réacteur Orphée proprement dit, qui fonctionne avec une régularité et un niveau de performances remarquables depuis plus de 20 ans, est de la responsabilité du CEA. Le laboratoire Léon Brillouin, laboratoire national financé conjointement par le CNRS et le CEA dispose de la plus grande densité d'instruments au monde pour des installations de ce type. En tout état de cause, le LLB est compétitif par rapport à l'ILL mais aussi par rapport à la source pulsée britannique ISIS du Rutherford Appleton Laboratory.
Le Laboratoire Léon Brillouin est régi par une convention entre le CEA et le CNRS.
Le budget annuel de l'ensemble constitué par le réacteur et le Laboratoire Léon Brillouin s'élève à 130 millions de francs, frais de personnel compris mais hors amortissement du réacteur.
Le budget hors salaires du LLB est de 23 millions de francs. Ce budget est financé à hauteur de 14 millions de francs par des contributions à parité du CNRS et du CEA. Le complément est assuré par des contrats avec l'industrie, par les contributions des CRG (Collaborative Research Group) et par le contrat " Access to Large Facilities " de l'Union européenne qui finance l'accès de chercheurs étrangers à ses installations. Les effectifs du laboratoire atteignent 150 postes à temps plein, à quoi il faut ajouter 57 postes pour le réacteur.
Le LLB a, en 1999, assuré 4 200 jours-instruments, ce qui correspond à 500 expériences par an. Les expériences ressortissent à hauteur de 55 % à la physique de la matière condensée, de 28 % à la chimie, de 10 % aux sciences de l'ingénieur et aux matériaux et de 7 % à la biologie.
L'écart entre la demande de temps d'accès à ses faisceaux et le temps effectivement mis à disposition est en moyenne de 30 %. Mais pour certains instruments, la demande peut excéder l'offre d'un facteur 2 voire même 3.
L'Institut Laue Langevin (ILL), situé à Grenoble, a été créé en 1967 sous la forme d'une société de droit civil français, par deux membres fondateurs associés, la France et l'Allemagne, rejoints par le Royaume-Uni en 1973, après la mise en exploitation du réacteur en 1972. Depuis lors, différents pays ont adhéré : l'Espagne (1987), la Suisse (1988), l'Autriche (1990), la Russie (1996), l'Italie (1997) et la République tchèque (1999), l'adhésion donnant droit à un temps de faisceau supérieur.
Le budget de l'ILL pour 2000 est de 355 millions de francs, la contribution française s'élevant à 104 millions de francs. Les dépenses de personnel représentent 57 % du total, le fonctionnement 19 %, l'investissement 11 %, le cycle de l'élément combustible 13 %.
En tout état de cause, en 1999, l'ILL a assuré 208 jours de fonctionnement réacteur sur ses 25 instruments et sur les 8 instruments CRG (Collaborative Research Group). Ceci correspond à 4500 jours-instruments accordés pour 8200 demandés et à 750 expériences pour 1000 demandées. Le nombre de chercheurs visiteurs atteint annuellement 1200. Ces derniers proviennent de 300 laboratoires disséminés dans toute la France et en Europe.
Les applications des neutrons à l'ILL concernent la physique pour 28 % du total, la chimie pour 20 %, la matière molle pour 14 %, les sciences des matériaux pour 12 %, la biologie pour 12 %, les liquides et les verres pour 8 % et la physique des particules pour 6 %.
En définitive, il existe une grande similitude entre les deux types de très grands instruments que constituent les synchrotrons et les sources de neutrons. Il s'agit essentiellement de super laboratoires de services mutualisés à la disposition des autres laboratoires, dans un secteur clé de la science moderne, à savoir l'analyse fine de la matière.
2. Les dépenses correspondant aux sources de neutrons
Ainsi que le montrent les tableaux suivants, fournis par la direction de la recherche du ministère de la recherche, les dépenses relatives au Laboratoire Léon Brillouin et la participation française à l'ILL sont du même ordre de grandeur, environ cent trente millions par an, et stables depuis le milieu de la décennie 1990.
En 1999, les dépenses relatives au LLB se sont élevées à 138 millions de francs (voir tableau ci-après).
Tableau 1 : Evolution des dépenses relatives au TGE Laboratoire Léon Brillouin 1
|
millions de francs |
dépenses |
1990 |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
|
Laboratoire Léon Brillouin (LLB) (TGE scientifique) |
personnel |
48 |
48 |
50 |
53 |
53 |
57 |
57 |
49 |
60 |
60 |
63 |
|
exploitation |
58 |
71 |
66 |
65 |
64 |
66 |
80 |
32 |
69 |
78 |
69 |
|
|
construction |
5 |
|||||||||||
|
total |
106 |
119 |
121 |
118 |
117 |
123 |
137 |
81 |
129 |
138 |
132 |
La même année, la participation française à l'ILL s'est élevée à 142 millions de francs.
Tableau 2 : Evolution des dépenses relatives à l'Institut Laue-Langevin 2
|
millions de francs |
dépenses |
1990 |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
|
ILL (TGE scientifique) |
personnel |
57 |
60 |
60 |
58 |
64 |
62 |
62 |
34 |
41 |
40 |
41 |
|
exploitation |
63 |
62 |
24 |
26 |
46 |
69 |
76 |
112 |
111 |
102 |
101 |
|
|
construction |
40 |
50 |
||||||||||
|
total |
120 |
122 |
124 |
134 |
110 |
131 |
138 |
146 |
152 |
142 |
142 |
On notera par ailleurs qu'un montant de 28 millions de francs a été imputé aux TGE des neutrons, en 1996. Ce montant correspond aux dépenses de retraitement du combustible de la source Siloé lors de son démantèlement.
Le total des dépenses relatives aux sources de neutrons est de l'ordre de 270 millions de francs par an en 2000. Entre 1990 et 2000, elles auront progressé de 21,2 %.
Figure 1 : Evolution des dépenses annuelles des TGE sources de neutrons
Compte tenu de la croissance des dépenses relatives aux TGE scientifiques et techniques, les sources de neutrons voient leur part dans ce total diminuer de 8 % à 6%.
Figure 2 : Evolution des dépenses relatives aux TGE sources de neutrons par rapport aux dépenses totales des TGE scientifiques et techniques
Alors que le niveau qualitatif des sources et de leurs instruments associés augmentait durant cette période, ainsi d'ailleurs que le nombre d'utilisateurs, il semble donc que la gestion conjointe par le CEA et le CNRS de la source nationale et de la participation française dans la source européenne s'avère particulièrement performante.
3. Les besoins prévisibles en sources de neutrons
La recherche européenne a un besoin croissant en faisceaux de neutrons. Le nombre d'utilisateurs connaît en effet une croissance forte. Il était de 3800 chercheurs en 1998 et devrait s'élever à 5000 en 2000. Cette croissance devrait continuer à l'avenir. Comment faire face à ces besoins croissants ?
Pour satisfaire cette demande, il existe deux types de sources de neutrons, d'une part les sources continues et d'autre part les sources pulsées.
Les Etats-Unis ont envisagé ces dernières années la construction d'un réacteur d'une puissance très supérieure à celle des machines en fonctionnement mais y ont renoncé. Les réacteurs semblent aujourd'hui avoir atteint une limite de puissance, de sorte que le progrès essentiel à attendre de leur part proviendra d'une augmentation de la brillance et de la qualité des instruments. La construction de nouveaux réacteurs n'est donc pas à l'ordre du jour.
En revanche, différents projets de sources pulsées existent pour faire face à la croissance des besoins, car cette technologie semble avoir une marge de progression sensible.
Plusieurs pays européens, l'Allemagne, la France, le Royaume-Uni et l'Italie, coopèrent actuellement pour définir une source européenne de neutrons de nouvelle génération. Il s'agit du projet européen ESS (European Spallation Source) qui consiste à construire une source pulsée de 5 MW.
Les Etats-Unis construisent pour leur part une source pulsée comparable SNS de 2 MW qui sera opérationnelle en 2006 et le Japon la source JHF/NSP de 1 MW qui entrera en service à la même date.
En tout état de cause, les objectifs du projet ESS sont d'obtenir par rapport à l'ILL, un progrès selon la longueur d'onde d'un facteur 10 à 200 pour la diffractométrie, de 2 à 20 pour la diffusion inélastique, de 1 à 20 pour la diffusion aux petits angles et un niveau identique pour la diffusion inélastique dans les trois axes. ESS devrait être 30 fois plus puissante que la source britannique ISIS.
Le coût d'ESS devrait être de l'ordre de 2 milliards d'euros, soit environ 13 milliards de francs. La construction d'ESS ne devrait pas commencer avant 2006, la machine ne délivrant ses faisceaux qu'à partir de 2015 au mieux.
Compte tenu des aléas relatifs au projet ESS et de la croissance des demandes d'utilisation des neutrons, les sources actuelles que sont le Laboratoire Léon Brillouin et l'ILL, loin d'être condamnées, ont, au contraire, une période de plusieurs années d'exploitation devant eux.
Le maintien en fonctionnement et la modernisation permanente des deux sources situées sur le territoire français ne posent pas de problème particulier.
Cette stratégie est d'autant plus pertinente que le nombre de sources de neutrons dans le monde va diminuer dans les prochaines années. Les seules autres sources assurées de perdurer dans les prochaines années, sont ISIS (Royaume-Uni), HMI (Berlin), SINQ (Suisse), le Laboratoire Léon Brillouin LLB, Saclay) ; l'Institut Laue Langevin (ILL, Grenoble) et très probablement le nouveau réacteur de Munich.
Le CEA est partie prenante aux travaux relatifs à la source pulsée européenne ESS mais privilégie un projet plus vaste de source à utilisations multiples, ou source multi-usages CONCERT servant à l'analyse de la matière mais aussi à l'étude des réacteurs sous-critiques et aux recherches sur la transmutation de déchets radioactifs (voir ci-après).
C'est en 2002 que l'on pourra décider si ce projet multi-utilisations est compatible avec ESS. Les routes d'ESS et de CONCERT risquent de converger ou de se séparer à cette date.
4. Le projet RJH (réacteur Jules Horowitz)
Afin de préparer le remplacement à l'horizon 2010 du réacteur d'irradiation OSIRIS de Saclay, seule machine de ce type en fonctionnement actuellement après l'arrêt en 1997 de SILOE à Grenoble, le CEA élabore actuellement le projet RJH (réacteur Jules Horowitz).
Les études d'irradiation sont essentielles d'une part pour les recherches sur le vieillissement des réacteurs du parc électronucléaire français, et, d'autre part, pour l'amélioration des performances du combustible nucléaire, deux paramètres clés à la fois pour la sûreté des réacteurs nucléaires et pour la compétitivité du kWh nucléaire.
Le réacteur Jules Horowitz a donc pour premier objectif le remplacement d'OSIRIS, avec toutefois des performances améliorées, des flux de neutrons augmentés et un nombre de points d'irradiation notablement accru.
L'autre objectif essentiel du RJH est de permettre le test du c_ur de nouveaux réacteurs. Les perspectives à ce sujet sont d'une part les réacteurs de 3 ème génération dits évolutifs par rapport aux réacteurs actuels, dont les meilleurs exemples sont l'EPR (European Pressurized Reactor) et le réacteur ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) et d'autre part des réacteurs innovants de 4 ème génération du type GT-MHR (Gas Turbine - Modular Helium cooled Reactor).
Le RJH offrira précisément la possibilité de tester des c_urs de natures différentes, avec des flux de neutrons allant des neutrons thermiques aux neutrons rapides, et une simulation des conditions d'un refroidissement par un gaz comme l'hélium. Les tests d'irradiation pourront être réalisés dans des boucles à milieux différents.
Le réacteur RJH devrait avoir une puissance de 100 MW, être installé à Cadarache et devenir opérationnel en 2010.
Le coût du RJH devrait atteindre 3,7 milliards de francs, financés à parts égales par le CEA et EDF, dans le cadre d'une société en participation.
Au demeurant, aucun autre projet que le réacteur RJH pourrait être à même de satisfaire en 2010 les besoins d'irradiation et de test de c_urs de réacteurs évolutifs ou innovants.
5. Le projet CONCERT de source multi-usages du CEA
Evoquer dans la partie du rapport consacrée aux sources de neutrons, le projet CONCERT (Combined Neutron Centre for European Research and Technology) constitue presque un contresens du fait de la vocation généraliste et fédératrice de cette source multi-usages. Toutefois, d'une part l'essentiel des utilisations de cette source est bien la production de neutrons et d'autre part il s'agit d'un projet en cours de définition, dont les contours pourraient encore évoluer. Pour la commodité de l'exposé, CONCERT est inclus dans les besoins en sources de neutrons, étant précisé que sa portée est plus générale.
Le projet CONCERT résulte d'une analyse en deux points, l'un d'ordre technique, l'autre d'ordre économique et politique.
Le constat technique fondamental est que les technologies des accélérateurs de protons ont fait des progrès considérables et permettent de produire des protons de haute énergie de l'ordre de 1 GeV, qui peuvent ensuite servir, en fonction des cibles qu'ils percutent, à la production de particules différenciées, par exemple neutrons, isotopes radioactifs, antiprotons, kaons, pions, neutrinos et muons. En se servant d'un accélérateur unique à hautes performances, il devrait donc être possible de servir d'autres équipements en diminuant le coût de l'ensemble par rapport au coût cumulé d'installations distinctes.
Le deuxième constat est que d'une part, une série d'équipements vont devoir être renouvelés dans les années à venir, sources de neutrons, sources d'irradiation, sources d'ions lourds, et d'autre part que de nouveaux besoins de recherche apparaissent, en particulier pour la transmutation des déchets radioactifs à haute activité et à vie longue, ainsi que pour la physique fondamentale, par exemple pour la production de certaines particules comme les neutrinos ou les muons.
Le projet CONCERT pourrait donc apporter une réponse coordonnée et acceptable sur un plan financier à un ensemble de besoins de renouvellement et de besoins nouveaux.
5.1. Des perspectives techniques intéressantes
Le phénomène central du projet CONCERT est la propriété qu'ont des protons accélérés à une énergie de 1 GeV, en percutant des cibles de nature variée, de provoquer la formation de gerbes de faisceaux secondaires spécifiques.
La première possibilité est celle de produire une avalanche de neutrons de haute énergie, suite au phénomène de spallation qui voit les noyaux des atomes de la cible libérer des neutrons, dans un rapport de 30 neutrons pour un proton incident. Ce phénomène est à la base des sources pulsées de neutrons, dont l'intérêt grandit, comme on l'a vu précédemment, dans la mesure où la puissance des sources continues semble plafonner. Avec des protons de haute énergie, il semble possible de gagner un facteur 10 voire 100 dans les flux produits, ce qui rendrait possible une résolution accrue, favoriserait les études de dynamique et les analyses dans des conditions extrêmes de température et de pression. L'objectif est de dépasser la puissance nominale de 5 MW prévue pour la source ESS (European Spallation Source).
La deuxième application de CONCERT serait la production de faisceaux d'isotopes radioactifs rares, avec des flux supérieurs d'un facteur 1000 à ceux produits par les machines actuelles. Cette voie de recherche est unanimement considérée comme devant être la priorité numéro de la physique du noyau.
La troisième application du projet serait la production de neutrons alimentant le c_ur d'un réacteur sous-critique acceptant les actinides mineurs et les produits de fission issus des combustibles nucléaires irradiés retraités. Ainsi, CONCERT permettrait des progrès dans la recherche sur cette question importante pour l'avenir des réacteurs nucléaires civils. En tout état de cause, la construction d'un réacteur ayant pour seul objet l'étude de la transmutation ne semble pas avoir de sens économique.
La quatrième application serait bien évidemment l'irradiation de matériaux, avec l'avantage de constituer un outil d'irradiation sans combustible nucléaire, c'est-à-dire sans les contraintes de fonctionnement afférentes.
Enfin, des protons de haute énergie peuvent produire des pions, qui, eux-mêmes se désintègrent en muons et en neutrinos. La création de muons présente un grand intérêt pour la physique des particules. En effet, l'utilisation des protons présente l'inconvénient de générer un nombre trop important de particules lors des collisions, ce qui complique l'analyse des phénomènes. Les électrons, quant à eux, produisent le rayonnement synchrotron, ce qui limite les possibilités d'aller au delà d'une certaine énergie. L'utilisation des muons présente un intérêt certain, dans la mesure où ces particules possèdent la même charge que l'électron mais ont une masse deux cents fois supérieure, ce qui pose le problème des rayonnements d'une manière différente et permettrait de monter à des énergies de 100 GeV.
Il faut enfin citer un dernier type d'application, à savoir la production de tritium à des fins civiles et militaires.
Toutes ces perspectives sont bien entendu conditionnées par la possibilité effective de produire des faisceaux de protons à haute énergie. A cet égard, un gain d'un facteur 100 par rapport aux machines actuelles semble à la portée des concepteurs du projet. Les premiers calculs et les premières expériences de démonstration montrent qu'il devrait être possible avec un accélérateur de 350 mètres de longueur, pour une puissance de 100 MW, de produire des protons à 1,3 GeV avec une intensité de 100 mA en crête.
5.2. Des perspectives économiques encourageantes
La construction d'une source multi-usages n'est pas envisagée pour le moment aux Etats-Unis, qui prévoient au contraire la construction de la source de neutrons par spallation NSS et d'une source d'ions lourds à Argonne, et ont en projet la machine ATW pour l'étude de la transmutation des déchets radioactifs.
Le JAERI développe au Japon quant à lui un projet de sources multi-usages similaires dans sa conception au projet CONCERT, après avoir réussi à fédérer les projets séparés de divers instituts de recherche.
Le CEA, qui est le maître d'_uvre de CONCERT, a pour sa part la conviction que les besoins de renouvellement d'installations existantes se produiront dans le même laps de temps vers 2015. Il est donc impératif de proposer une solution coordonnée, pour répondre à des contraintes budgétaires serrées.
Une première estimation des coûts d'une source multi-usages conduit à un montant de 2,25 milliards d'euros, environ 15 milliards de francs, soit un montant inférieur de 6,5 milliards de francs à la somme des dépenses relatives à des projets séparés.
Le calendrier du projet CONCERT prévoit la présentation d'une étude approfondie sur ses coûts au début 2002, une étude technique détaillée de 2 ans, le début de la construction en 2005, l'entrée en service pour une première application en 2010, l'installation étant complètement opérationnelle en 2015.
L'intérêt pour CONCERT de comités scientifiques comme NuPECC, de groupes de travail comme celui relatif à ESS, ainsi que du groupe de conseillers ministériels TWG pour la transmutation, est déjà réuni. L'Italie, l'Allemagne, le Royaume-Uni et la Suisse ont accepté de faire partie d'un groupe de pilotage du projet.
Les disciplines concernées par les différentes applications de CONCERT, qui pourraient souhaiter à des degrés divers disposer de leurs propres installations, semblent toutefois déjà avoir pris conscience qu'une approche unifiée maximise leurs chances de se voir accorder les instruments dont elles ont un besoin vital, avec d'autre part des bénéfices secondaires, comme une interdisciplinarité accrue et la création d'une nouvelle dynamique profitable à tous.