Reunion SFEN/CNAM du 24 octobre : les accelerateurs de particules du futur (1)

J’avais invité mes lecteurs à une réunion SFEN/CNAM   le 25 octobre  sur le sujet suivant :LES ACCELERATEURS DE PARTICULES DE LA RECHERCHE FONDAMENTALE AUX APPLICATIONS

J’ai eu la chance de trouver leur rédaction commune de présentation toute prête sur  INTERNET et je ne vais pas me priver du plaisir de vous en faire un copier-coller : » CNAM, 24 octobre 2012 avec 3 participants d’origine différente :

Conférences

de MM. Jean‐Luc BIARROTTE, ingénieur au CNRS/IN2P3/IPN‐Orsay,

Marcel JACQUEMET, ingénieur CEA au Ganil de Caen, chef du projet Spiral2

et Olivier NAPOLI, ingénieur au CEA‐Saclay/DSM/Irfu

Les accélérateurs de particules utilisent les forces de Lorentz agissant sur des particules chargées,électrons, positons, protons, antiprotons ou ions plus lourds. Seul le champ électrique conduit à l’apport d’énergie cinétique. Dans la plupart des accélérateurs modernes, il est réalisé par une onde radiofréquence de quelques centaines de MHz à quelques GHz produite dans une cavité et synchronisée avec le passage des paquets de particules pour que le champ électrique agisse dans la bonne direction. Le champ magnétique, lui, permet de courber les trajectoires ; il est réalisé par des bobines, souvent aujourd’hui supraconductrices,

Les accélérateurs usuels sont circulaires ou linéaires. L’inconvénient des premiers est la perte d’énergie par émission de rayonnement de freinage par les particules dont la trajectoire est courbée.

L’inconvénient des seconds est leur grande longueur si l’on vise de très hautes énergies. Mais pour des applications comme celle de Myrrha la taille reste raisonnable : l’ordre de grandeur est une longueur de 300 m pour l’accélération de protons à 1 GeV si l’on utilise des cavités accélératrices supraconductrices, 3 fois plus si l’on utilise des cavités classiques.

Les difficultés sont nombreuses, par exemple au niveau de la source (création des ions, première accélération par radiofréquences, mise en paquets…), ou encore pour le confinement des paquets lors de l’accélération (typiquement, on exige que la perte des particules soit inférieure à 10‐6 pour éviter les problèmes d’activation des structures).

L’accélérateur du projet Myrrha (Multipurpose hYbrid Research Reactor for High‐tec Applications,dont la construction devrait démarrer à Mol (Belgique) en 2016 avec une mise en service prévue en 2024), est un exemple d’accélérateur linéaire : accélération de 4 mA de protons à 600 MeV avec une r adiofréquence de 700 MHz : le bâtiment des deux injecteurs fera une quarantaine de mètres et l’accélérateur environ 250 m, au bout desquels le faisceau sera courbé de façon à pénétrer verticalement du haut vers le bas dans un réacteur. Une très grande fiabilité sera recherchée  ( quelques arrêts par an) : on veut gagner un facteur 10 à 100 par rapport aux machines actuelles.

D’où les deux injecteurs et un système de diagnostic et de relais d’une cavité accélératrice défaillante par les autres devant réduire à moins de trois secondes la durée d’une panne !

Ce réacteur sera un ADS (Accelerator Driven System, c’est‐à‐dire réacteur sous‐critique piloté par l ’accélérateur). C’est un massif sous‐critique (facteur de multiplication compris en 0,93 et 0,97) à neutrons rapides, refroidi au plomb ; le plomb sert aussi de cible pour les réactions de spallation provoquées par les protons en provenance de l’accélérateur. Son objectif sera l’étude de la transmutation d’actinides mineurs, en particulier l’américium 241. Cette transmutation est, rappelons‐le, l’un des axes de recherche préconisés par la loi Bataille du 30 décembre 1991. Ce serait la première étape avant un transmutateur industriel qui, avec une intensité cinq fois plus forte (20mA), pourrait brûler de l’ordre de 100 kg d’actinides mineurs par an tout en produisant 400 MWth.

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Autre exemple d’accélérateur linéaire : celui qui accélérera 5 mA de deutons de 40 MeV pour Spiral2, ensemble de machines en construction au Ganil à Caen fournissant des faisceaux d’ions de toutes masses, radioactifs ou non. Ces faisceaux permettront l’exploration des quelque 5 000 à 7 000 noyaux exotiques qui sont susceptibles d’avoir une organisation de la matière nucléaire complètement différente de celle des noyaux stables (moins de 300) ou proches de la vallée de stabilité.

Pour donner un aperçu des challenges : les diverses pièces, construites dans de nombreux

endroits de par le monde, devront être positionnées au dixième de millimètre près sur des distances d e plus de cent mètres. Cette précision requise, ainsi que la tenue aux séismes, obligent à un ferraillage particulièrement dense du béton.

Le décret de construction a été signé par le gouvernement précédent le 8 mai 2012, pour un

démarrage prévu à la fin de 2014. L’investissement est de 151 millions d’euros.

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Dans un autre domaine, celui de la physique des particules, la découverte du boson de Higgs a fait récemment les gros titres. Après l’unification de l’électromagnétisme et des interactions faibles en"  théorie électrofaible », concrétisée par la découverte expérimentale des bosons Z et W de l ’interaction électrofaible (masses de 91 et 83 GeV, respectivement), ce boson avait été prédit parHiggs (et Kibble, Brout, Englert et autres), dans le cadre du « modèle standard » des interactions fortes, pour expliquer la masse des particules. ). La masse du Higgs mesurée est d’environ 125 GeV (soit à peu près cent trente fois celle d’un proton).

L’énergie de 1 TeV des protons et antiprotons du tévatron du Fermilab aux États‐Unis n’avait pas permis cette découverte. Elle a été faite au LHC (Large Hadron Collider) qui a une luminosité cent fois plus forte et qui permet actuellement d’accélérer des protons à 4 TeV en les faisant tourner (dans les deux sens) dans le tunnel circulaire de 27 km du CERN et en les faisant se rencontrer(« collisionner ») en 4 endroits du tunnel, où les phénomènes ainsi provoqués sont observés. Cette é nergie sera prochainement portée à 7 TeV, et peut‐être plus tard à 30 TeV grâce à de nouvelles bobines supraconductrices. Cela est nécessaire si l’on veut explorer la matière à une échelle plus fine,d e l’ordre de l’attomètre (10‐18 m) actuel1.

Les projets en ce sens, encore plus ambitieux, ne manquent pas, tels, au CERN, un VLHC (protons) ou un LEP3 (électrons) dans un nouvel anneau de 80 km. Pour les leptons (électrons et positons), les accélérateurs linéaires semblent préférables pour éviter trop de perte d’énergie par rayonnement de freinage : ainsi, après le SLAC américain, le projet d’ILC (collisionneur linéaire international électronspositons de 2X250 GeV, pouvant être portés ensuite à 2X500 GeV), pour lequel le Japon propose deux sites, d’autres pays étant aussi candidats. Signalons aussi la construction, en Europe, du XFEL où, en ondulant la trajectoire d’électrons pendant leur accélération, on produira des photons avec u ne brillance exceptionnelle.

1 Avec une énergie E, on explore une distance d telle que Ed = hc = 197 MeV.femtomètre, h étant la

constante de Planck réduite et c la vitesse de la lumière

pour les amateurs de détails je recommande spécialement les planches qui nous ont été présentées sur le 1 er sujet et que vous trouverez sur le site suivant : ] 

JL. Biarrotte - IPN - IN2P3 ipnweb.in2p3.fr/.../biarrotte_seminaireipn_feb2011ok.pdfPartager

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Jean-Luc Biarrotte, Séminaire IPNO, Orsay, 7 février 2011. 1. L'accélérateur de type ADS ... pour le projet MYRRHA. J-L. Biarrotte, CNRS-IN2P3 / IPN Orsay ...

Vu la longueur de mon article les critiques viendront demain