Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS

À l'intérieur des os d'acier d'un réacteur nucléaire, une bataille silencieuse mais acharnée est menée. Lorsque des neutrons à haute vitesse percutent le métal, ils ne se contentent pas de rebondir ; ils brisent les noyaux atomiques, créant de minusques fragments de gaz d'hydrogène et d'hélium. Au fil des années d'exploitation, ces gaz s'accumulent au sein du métal solide, provoquant son gonflement et sa fragilisation, un peu comme une éponge qui aurait absorbé trop d'eau. Ces dommages menacent l'intégrité structurelle des enceintes mêmes conçues pour contenir l'énergie immense de la fusion ou de la fission. Pour prédire combien de temps un réacteur peut fonctionner en toute sécurité, les scientifiques doivent savoir exactement comment ces neutrons interagissent avec le fer, le composant principal de l'acier de réacteur. Ils doivent mesurer non seulement combien de particules sont délogées, mais aussi précisément quelle énergie elles transportent et dans quelle direction elles s'envolent.

Pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour obtenir ces mesures pour les neutrons à haute énergie présents dans les réacteurs modernes. Bien que des données existent pour les énergies plus basses, le tableau devient flou et incertain au-dessus de 14 millions d'électron volts, une plage où la physique devient complexe et difficile à modéliser. Sans données précises dans cette zone de haute énergie, les simulations informatiques utilisées pour concevoir des réacteurs sûrs sont contraintes de deviner, laissant les ingénieurs avec moins de certitudes quant à la durée de vie de leurs structures. Une équipe de chercheurs s'est récemment donné pour mission de combler cette lacune, en menant une nouvelle expérience pour cartographier le comportement des neutrons frappant le fer naturel avec un niveau de détail sans précédent.

L'expérience s'est déroulée en 2023 au centre Neutrons For Science à Caen, en France, un site dédié à la production de faisceaux de neutrons pour la recherche. L'équipe a utilisé un instrument spécialisé appelé Medley, un dispositif conçu à l'origine à l'Université d'Uppsala en Suède et destiné spécifiquement à capturer les particules légères et chargées qui s'échappent lorsqu'un noyau se brise. L'installation consiste essentiellement en une grande chambre à vide vide avec une cible de fer naturel placée au centre. Autour de cette cible sont disposés huit ensembles de détecteurs, agencés comme les rayons d'une roue, chacun capable de suivre les particules s'échappant à différents angles. La cible de fer elle-même était une fine feuille, juste assez épaisse pour interagir avec le faisceau, mais assez fine pour laisser les particules résultantes s'échapper sans perdre trop d'énergie.

Pour créer les conditions nécessaires à l'étude, l'installation a projeté un faisceau de neutrons sur la cible de fer. Ces neutrons n'avaient pas tous la même vitesse ; ils formaient au contraire un faisceau « blanc », un spectre large contenant des énergies allant de niveaux bas jusqu'à 44 millions d'électron volts. Lorsque les neutrons frappaient le fer, ils déclenchaient des réactions nucléaires qui éjectaient des protons, des deutérons et d'autres particules légères. Les détecteurs, disposés en télescopes, ont capturé ces particules en fuite. En mesurant l'énergie déposée par chaque particule dans une série de couches de silicium et un cristal scintillateur final, les chercheurs pouvaient identifier exactement de quel type de particule il s'agissait et à quelle vitesse elle se déplaçait.

Une partie critique du processus impliquait la chronométrie. Les chercheurs ont mesuré le temps nécessaire à une particule pour voyager de la cible au détecteur, en le comparant au moment précis de la génération du faisceau de neutrons. Cette mesure de temps de vol (time-of-flight) leur a permis de calculer l'énergie des neutrons incidents pour chaque événement. Comme les particules perdent une petite quantité d'énergie en traversant la cible de fer elle-même, l'équipe a dû appliquer une correction mathématique pour reconstruire l'énergie réelle des particules lors de leur naissance. Ils ont utilisé des simulations informatiques pour modéliser la perte d'énergie des particules à l'intérieur du métal, puis ont utilisé une méthode statistique pour rétro-concevoir les données originales, éliminant ainsi la distorsion causée par le matériau de la cible.

Le résultat de ce travail minutieux est un nouvel ensemble de mesures de la section efficace différentielle double, un terme qui décrit simplement la probabilité qu'une particule soit émise à un angle spécifique avec une énergie spécifique. L'équipe a réussi à mesurer ces valeurs pour les protons émis à partir du fer lorsqu'il est frappé par des neutrons ayant une énergie moyenne de 14,5 millions d'électron volts. Ils ont cartographié le nombre de protons s'échappant selon des angles allant de 20 à 160 degrés, créant ainsi une image détaillée du profil d'émission. Les données ont montré que le dispositif expérimental fonctionnait de manière fiable, capturant les particules avec une grande précision et permettant à l'équipe de corriger les pertes d'énergie au sein de la cible.

Bien que l'analyse complète de toutes les données collectées durant la campagne soit encore en cours, les résultats préliminaires pour les neutrons de 14,5 millions d'électron volts sont déjà prometteurs. Les chercheurs ont constaté que leurs mesures pouvaient être ajustées de manière fluide avec des courbes mathématiques standards, suggérant que les données sont cohérentes et fiables. Ce succès valide l'utilisation de la configuration Medley dans cette installation et confirme que les corrections complexes pour la perte d'énergie et l'identification des particules ont été traitées correctement. L'équipe travaille désormais à étendre ces mesures pour couvrir toute la gamme d'énergie jusqu'à 44 millions d'électron volts et à analyser d'autres types de particules, telles que les noyaux d'hélium.

Ce travail apporte une pièce cruciale au puzzle pour les ingénieurs nucléaires. En fournissant des données concrètes sur le comportement du fer sous un bombardement de haute énergie, l'étude offre une base plus solide aux modèles informatiques utilisés pour concevoir les futurs réacteurs à fusion et pour évaluer la sécurité des réacteurs existants. La capacité de prédire comment les matériaux structurels se dégraderont au fil du temps est essentielle pour la transition vers des sources d'énergie plus propres, et cette expérience a franchi une étape significative vers une plus grande précision de ces prédictions. Les chercheurs ont prouvé qu'il est possible de mesurer ces interactions difficiles avec une grande précision, ouvrant la voie à des tests plus rigoureux des matériaux qui contiendront un jour la puissance des étoiles.