EP3984336A1 - Cibles liquides pour la production de particules nucléaires - Google Patents

Cibles liquides pour la production de particules nucléaires

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Publication number
EP3984336A1
EP3984336A1 EP20734653.7A EP20734653A EP3984336A1 EP 3984336 A1 EP3984336 A1 EP 3984336A1 EP 20734653 A EP20734653 A EP 20734653A EP 3984336 A1 EP3984336 A1 EP 3984336A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shell
target
particles
target material
rotation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20734653.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Véronique GHETTA
Julien Giraud
Daniel Santos
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut Polytechnique de Grenoble, Universite Grenoble Alpes filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3984336A1 publication Critical patent/EP3984336A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
    • G21G4/00—Radioactive sources
    • G21G4/02—Neutron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/06—Generating neutron beams
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N2005/1085—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy characterised by the type of particles applied to the patient
    • A61N2005/109—Neutrons
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H6/00—Targets for producing nuclear reactions
    • H05H2006/007—Radiation protection arrangements, e.g. screens
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the present invention relates to liquid targets for the production of nuclear particles and to systems incorporating such targets. It relates in particular to targets for the generation of neutron fields.
  • nuclear particles e.g. neutrons, protons, alpha particles
  • a specific nuclear reaction resulting from the interaction of a beam of incident particles that are already known to be produced (e.g. protons, deuterons or other nuclei atomic) on targets formed by a material allowing the specific nuclear reaction.
  • BNCT synchrom for “Boron Neutron Capture Therapy”
  • a neutron energy for the irradiation of the patient of between approximately 0.5 eV and 10 keV.
  • the nuclear reaction 7 Li (p, n) 7 Be of protons with an energy E> 1.88 MeV on lithium used as target material is known in particular.
  • a proton (or a deuton) collides with a lithium nucleus ( 7 Li) to form a beryllium nucleus ( 7 Be) with ejection of a neutron of energy between 25 keV and 785 keV.
  • a moderator is then used to reduce the energy of the neutrons.
  • the 7 Be nucleus formed during the nuclear reaction is unstable with a half-life of 53 days; it decays by electronic capture, emitting a gamma of 478 keV, harmful from a radiation protection point of view. We therefore seek to control the quantity of 7 Be present in the target.
  • the depth of penetration into the target material may be greater or lesser. In the case of low energies, this penetration is low and the energy transfer of the beam takes place in the subsurface which creates a significant heating of the target material. There is therefore an interest in working with thin target materials to distribute part of the heat provided by the beam of incident particles in the target material. As solid thin films present problems of stability and deterioration under beam, “liquid” targets represent an interesting solution for high powers.
  • the reaction 7 Li (p, n) 7 Be described above can be obtained from a target based on solid lithium.
  • a target comprises a thin layer of solid lithium arranged on a support and on which strikes a beam of particles originating from a particle accelerator.
  • the integrity of the layer and its adhesion to the support must be guaranteed by the continuous evacuation of a thermal power of more than 3 kW / cm 2 .
  • Lithium having a low melting point (180.5 ° C) the lifespan of a solid lithium-based target is limited in time and the target must therefore be changed very regularly.
  • Liquid lithium-based targets have also been developed. Liquid lithium can withstand higher temperatures compared to solid lithium. As a result, compared to a solid lithium-based target, the problems associated with the integrity of the layer, its resistance to the support and its maintenance at very low temperature ( ⁇ 180 ° C.) are solved.
  • targets based on liquid lithium are described in particular in Halfon et al. [Ref 1] and Kobayashi et al. [Ref 2]
  • the targets based on liquid lithium described in the aforementioned references comprise a circulation of liquid lithium in closed conduits with, at the level of the arrival of the particle beam, an open and curved zone on which the lithium forms a web of several hundred microns up to 1.5 mm.
  • the lithium flow rate in the pipes is sufficient to establish a high speed scrolling of the layer of liquid in front of the beam (7 m / s in the case of the target disclosed in [Ref 1], up to 30 m / s in the case of the target disclosed in [Ref 2]), so that the temperature of the web remains acceptable to limit the evaporation of lithium.
  • the 7 Be produced by the reaction 7 Li (p, n) 7 Be contributes to creating a not insignificant quantity of a radioactive species ( 7 Be); this results in a possible activation of the loop materials containing the circulating lithium.
  • a solution to overcome the problems of radiotoxicity of the 7 Be produced, described for example in [Ref 1], is to use a cold trap at the level of the lithium reservoir to condense the 7 Be in the solid state in the reservoir. This configuration involves protecting the reservoir more particularly from a radiological point of view.
  • An objective of the present description is to provide a new liquid target which allows better compactness of the installation and a reduced quantity of target material, in particular for the generation of neutron fields, while allowing excellent heat removal.
  • the present description relates to a liquid target for the production of nuclear particles, comprising:
  • a shell formed by a surface of revolution and mounted in rotation about an axis of rotation coincident with an axis of revolution of said shell;
  • a reservoir comprising a target material in the liquid state in operation, said target material being suitable for the production of said nuclear particles;
  • a target material lifting device configured to drive, in operation, the target material from the reservoir to an upper surface of the hull
  • a gutter formed along an outer perimeter of the hull and configured to receive, in operation, droplets from a web of target material induced by centrifugation on said upper surface of the hull, when rotating shell,
  • At least one return duct forming a fluid connection between said gutter and said reservoir
  • an inlet duct configured to bring, in operation, a beam of accelerated particles into an impact zone of said particles accelerated with the shell, said impact zone being located on said upper surface of the shell, the interaction of said particles accelerated with target material circulating on said upper surface of the shell generating said nuclear particles.
  • a target according to the present description thus makes it possible to obtain, by centrifugation, a sheet of target material in the liquid state, formed in a device operating in closed circulation. This results, in particular compared to the liquid targets described in the state of the art, a reduction in the bulk of the installation necessary for the operation of the target and a limitation of the volume of liquid required.
  • the impact zone of the particles accelerated with the target is a zone situated on the upper surface of the shell
  • a sheet of target material is generated in the target according to the present description. with which the accelerated particles directly interact.
  • the sheet of target material thus generated on the upper surface of the shell is sufficiently thick so that excellent heat dissipation is obtained both by conduction in the shell which supports it and by convection via the liquid; it is therefore possible to withstand high beam powers of incident particles without degradation and to produce higher nuclear particle fluxes.
  • the target according to the present description can operate, in use, in a "horizontal" configuration, that is to say with an axis of rotation of the shell arranged vertically. Such an arrangement allows the target material in the liquid state projected in the gutter to be directly injected back into the reservoir by gravity without using additional energy.
  • nuclear particle is understood to mean any particle which can be produced by a nuclear reaction, for example neutrons, protons, alpha particles.
  • accelerated particle beam in the present description is understood to mean particles, for example protons or deuterons, which bombarded on a given target material, make it possible to produce nuclear particles.
  • the target material comprises fluids which, in operation and at very low temperatures, are in the liquid state, such as hydrogen, nitrogen, argon or xenon.
  • the target material comprises materials, for example metallic lithium or fluorinated molten salts, which in operation and at high temperature, are in the liquid state.
  • the liquid target is suitable for the generation of neutron fields and the target material is for example metallic lithium which, in operation, is in the liquid state.
  • the target In the case of neutron production, the target is generally surrounded by a neutron moderator; the compactness of the target according to the present description makes it possible to keep all the lithium in a thermal neutron zone backscattered by the moderator around him. This allows the transmutation of 7 Be by the reaction 7 Be (n th , p) 7 Li, the product obtained being none other than the initial 7 Li. This eliminates the need for a 7 Be trap and self-regeneration of the liquid lithium is obtained.
  • the shell is formed from molybdenum or from a molybdenum-based alloy (for example TZM based on molybdenum (99.5%) with zirconium and titanium), or steel or a combination of these two materials.
  • a molybdenum-based alloy for example TZM based on molybdenum (99.5%) with zirconium and titanium
  • different materials can be used for the shell, the materials being chosen not to exhibit a reaction with the target material in the liquid state at the temperature of use.
  • the shell can be formed from carbon-based materials for target materials including molten fluorinated salts.
  • the surface of revolution forming said shell comprises at least a first frustoconical portion, the apex of which is located on the axis of rotation and which has a given apex half-angle.
  • Other shapes can be considered for said first portion, such as for example a shape having a curved profile along a meridian plane (or plane containing the axis of revolution).
  • the half-angle at the top of said frustoconical portion is between 0 ° and 90 °, advantageously between 40 ° and 50 °.
  • a radius r of the first portion (for example frustoconical or curved) at a given point is defined in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shell, by a distance between said axis of rotation and said point .
  • a radius of the first portion at the level of the impact zone is between 15 cm and 45 cm.
  • the surface of revolution forming said shell comprises at least a first portion and a second portion forming a base to which said first portion is connected.
  • the base is flat or tapered.
  • the first portion is connected to said base by a connecting fillet ensuring a continuous slope variation between said base and said first portion; This ensures that the upper surface of the shell over which the liquid target material is spread in operation does not include any connection which could disturb the flow of the liquid.
  • a radius of curvature of the fillet is between 5 mm and 50 mm.
  • said first portion and said base are in one piece.
  • said first portion and said base may be formed of two parts assembled by screwing or welding.
  • the device for lifting the target material comprises one or more fins or a rotor, configured to be driven in rotation about an axis integral with the axis of rotation of shell.
  • the spinning of the hull causes the liquid to circulate through the centrifugal effect as soon as the liquid has risen to the level of the upper surface of the hull without requiring another pumping mechanism for the liquid.
  • said system for lifting the target material comprises a pump interposed between one end of the return duct and the reservoir.
  • This device is more complex but can however make it possible to eliminate the correlation between the flow rate and the speed of rotation.
  • the target further comprises a plate arranged above the shell, said plate making it possible in particular to limit the total surface of liquid in direct communication with the vacuum near the arrival zone of the beam.
  • Said plate can be fixed, or rotating and integral with the shell.
  • the target further comprises a fixed upper envelope arranged to envelop, at least partially, said upper surface of the shell.
  • the target further comprises a fixed lower envelope arranged to envelop, at least partially, a lower surface of the shell opposite said upper surface.
  • said lower envelope is integral with the reservoir. Said upper and / or lower envelopes make it possible to confine the vapors originating from the target material in the liquid state and to condense them on their walls.
  • said upper envelope is traversed by said inlet duct allowing said beam of accelerated particles to be brought into said impact zone.
  • said upper casing comprises one or more openings for pumping the target material in the liquid state and / or the passage of a device for driving the rotation of the shell if
  • the gutter is integral with the upper casing, and is formed so as to encompass said outer periphery of the shell and to curl under the lower surface of the shell, opposite said upper surface.
  • said upper and lower envelopes are connected, at least locally, by means of said gutter.
  • the tank comprises an opening for the passage of a device for driving the rotation of the hull if
  • the drive is done from the bottom, that is to say from the side of the lower surface of the hull, opposite to the upper surface. Said opening is then arranged to ensure a sealed passage of the drive device.
  • the reservoir and / or the upper and / or lower envelopes are formed from a material comprising molybdenum, stainless steel or a combination of the two materials.
  • the target comprises a plurality of return ducts between the gutter and the reservoir, for example between 2 and 8.
  • Said return duct (s) can be of various shapes (circular section, ovoid , etc.) and with variable cross-sectional areas.
  • the target is configured to accept a stable rotational speed of the hull with a speed between 300 and 800 revolutions / min.
  • the total volume of target material in liquid state in a target is determined depending on the geometry of the system and the speed of nominal rotation selected for operation.
  • the volume of liquid in the closed circulation system is between 2 and 5 liters, that is to say a volume nearly 3 times lower than the liquid volume required in targets based on liquid lithium known from the state of the art.
  • the target is configured to produce, in operation, a web of target material in the liquid state having a thickness of between 50 ⁇ m and 5 mm.
  • a thickness of between 80 ⁇ m and 140 ⁇ m, for example between 80 ⁇ m and 100 ⁇ m will be chosen in that it makes it possible to locate the maximum loss of energy, and therefore of heating. , in the surface area of the shell and not in the liquid lithium layer.
  • too thin lithium thicknesses may lead to local dewetting of lithium on the surface of the hull.
  • the inlet duct for the particle beam is arranged in a plane containing the axis of rotation of the shell. This configuration corresponds to a minimum deformation of the shape of the impact zone of the beam with respect to the section of the latter.
  • the inlet duct for the particle beam is arranged in a plane tangential to a circumference of rotation at the level of the impact zone. This configuration corresponds to a significant deformation of the impact zone of the beam with respect to the section thereof.
  • angles defining the orientation of the inlet duct with respect to the impact zone can be chosen to minimize the residence time of the target material at the end. liquid state under the accelerated particle beam.
  • the inlet duct of the accelerated particle beam is equipped with a rapid beam shutter system.
  • the inlet duct of the accelerated particle beam is equipped with a condenser.
  • the target further comprises a device for preheating target material at the level of the reservoir.
  • the target further comprises a device for preheating at least part of the upper casing and / or of the lower casing and / or of the reservoir.
  • the target further comprises a cooling system.
  • the target further comprises an enclosure configured to create at the impact zone a vacuum compatible with the generation of said nuclear particles.
  • the present description relates to a system for producing nuclear particles comprising:
  • a source of particles adapted to produce, upon interaction with a target material, said nuclear particles
  • a particle accelerator configured to receive a beam of particles from said source and form a beam of accelerated particles; a target according to the first aspect comprising said target material and configured to receive, at the inlet duct, said beam of accelerated particles and generate at the impact zone said nuclear particles.
  • the production system further comprises a neutron moderator arranged around the target.
  • the source of particles emits protons or deuterons.
  • the present description relates to a method for producing nuclear particles by means of a production system according to the second aspect.
  • said method comprises:
  • the method further comprises, in the case of solid target materials at ordinary temperature, a step of preheating the reservoir containing the target material and / or various elements of the target.
  • the preheating step then allows the circulation of the liquid even in the absence of the thermal power transmitted by the accelerated particle beam, in the case of solid target material at room temperature.
  • the method may alternatively comprise regulation of the cooling.
  • the method further comprises cooling the target in the presence of the beam of accelerated particles, with a gradual stopping of the preheating, in correlation with the thermal power transmitted to the system by the latter.
  • the speed of rotation of the shell is between 300 and 800 revolutions / min.
  • the upward flow speed of the liquid on said upper surface of the shell is between 1 m / s and 3 m / s.
  • the upward speed is defined as the speed of movement of the sheet of liquid relative to the hull.
  • the tangential velocity of the liquid at the impact zone is between 5 m / s and 40 m / s.
  • FIG. 1 schematically shows an example of a nuclear particle generation system according to the present description.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of a liquid target according to the present description.
  • FIG. 3 A represents a diagram illustrating a first example of a shell in a target according to the present description.
  • FIG. 3B represents a diagram illustrating a second example of a shell in a target according to the present description
  • FIG. 4 represents a diagram illustrating an example of a liquid target according to the present description.
  • FIG. 5 is a diagram showing the flow of liquid in the example target illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 6A represents a diagram describing the angular identification (b and c) of the arrival position of the particle beam with respect to the axis of rotation of the shell.
  • FIG. 1 generally illustrates elements of a system 10 for producing nuclear particles in accordance with the present description.
  • the system 10 comprises a source of particles 11, for example a source of protons or a source of deuterons, a particle accelerator 13 to form from the particles emitted by the source 11 a beam of accelerated particles and a target 15, the target 15 allowing, in operation, the interaction between the beam of accelerated particles and a sheet of target material in the liquid state to generate the nuclear particles.
  • the target is also arranged within a vacuum chamber (not shown) compatible with the voids required for the particle beams.
  • the target material can be metallic lithium, in the liquid state for temperatures above 180 ° C.
  • the incident particles can be, according to one example, protons: a proton collides with a lithium nucleus ( 7 Li) to form by means of a nuclear reaction a beryllium nucleus ( 7 Be) with ejection of a neutron d energy between 25 keV and 785 keV.
  • the incident particles are deuterons: a deuteron collides with a lithium nucleus ( 7 Li) to form, by means of a nuclear reaction, two 4 He nuclei.
  • the system 10 can also comprise, all around the target 15, a moderating medium (not shown) to reduce the energy of the neutrons of the neutron field thus generated.
  • the moderator comprises, for example, a hydrogenated medium (polyethylene or other).
  • the moderator slows down the neutrons by allowing their backscattering towards target 15.
  • these neutrons will interact with 7 Be, the product of the 7 Li (p, n) 7 Be reaction.
  • the 7 Be transmutes into 7 Li according to the reaction 7 Be (n th , p) 7 Li.
  • the product obtained is none other than the initial 7 Li which therefore corresponds self-regeneration of lithium. This allows do away with the need for a 7 Be trap and thus eliminate the risk
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the operating principle of a liquid target 20 according to an example of the present description.
  • the target 20 shown schematically comprises a shell 24 formed by a surface of revolution and mounted in rotation about an axis of rotation 21 coincident with an axis of revolution of said shell.
  • the shell comprises a frustoconical portion 242 whose apex is located on the axis of rotation and which has a given apex half-angle.
  • the target 20 further comprises a reservoir (not shown in FIG. 2) comprising a target material in the liquid state in operation, for example lithium, and a device for lifting the target material (not shown in FIG. 2). ) configured to drive, in operation, the liquid state target material from the reservoir to the upper surface 244 of the rotating shell.
  • An inlet duct (not shown in FIG. 2) makes it possible to bring, in operation, a beam of accelerated particles into an impact zone of the shell, the interaction of said accelerated particles with the target material in circulation on said upper surface of the shell generating nuclear particles by nuclear reaction. As illustrated in FIG.
  • a liquid lithium thickness is sought at the level of the impact zone of less than 140 ⁇ m but sufficient not to fall within a range liable to generate dewetting of the film due to local fluctuations.
  • this thickness is between 100 ⁇ m and 140 ⁇ m.
  • a shell profile with a frustoconical portion allows an analytical calculation of the thickness of the liquid layer 22 as a function of parameters comprising: the apex half-angle a of the frustoconical portion, the speed of rotation co of the shell, the radius r of the frustoconical portion at the level of the impact zone and the flow of the liquid. These calculations can be based on the publications of S. V. Kralshevsky et al. (Ref. [5, 6]). In the particular case of recirculating targets based on a lifting system connected to the axis of rotation, the flow rate is not an independent parameter but is related to the speed of rotation of the hull.
  • FIG. 3 A and 3B show two examples of portions of a shell 34 with profiles in a different meridian plane.
  • the shell comprises a first portion 342 and a second portion 341 forming a base to which the first portion is connected.
  • the sheet of liquid (not shown in FIGS. 3A, 3B) forms on an upper surface 344 of the shell and undergoes, in operation, an upward movement along the first portion 342. towards an outer periphery 345 of the shell.
  • the surface 346 opposite the upper surface 344 is referred to as the lower surface of the shell.
  • the first portion 342 is frustoconical.
  • the base 341 and the frustoconical portion 342 are connected by a fillet 343 ensuring a smooth angular transition between these two portions to disturb as little as possible.
  • the fillet 343 is characterized for example by a radius of curvature of between 5 mm and 50 mm.
  • the shell is not necessarily composed of frustoconical elements and can be formed by a surface of revolution, the curvature of which changes regularly, as shown in FIG. 3B.
  • the first portion 342 has a curved profile in a meridian plane containing the axis of revolution 31. In a target with a shell as shown in FIG.
  • FIG. 4 represents a diagram illustrating a target 40 according to an example of the present description, for example, but not exclusively, a target based on liquid lithium.
  • the target 40 comprises an axisymmetric shell 34 rotating about an axis of rotation 31 with a frustoconical portion 342 connected to a base 341, as in the example of FIG. 3 A.
  • the shell further comprises in this example a third portion 440 forming a tubular extension immersed in a reservoir 46 comprising a target material in the liquid state in operation.
  • the shell is formed from a material comprising, according to exemplary embodiments, molybdenum and / or a steel or a combination of the two materials.
  • the target 40 further comprises an upper casing 452, fixed, arranged to at least partially envelop the upper surface 344 of the shell 34 on which, in operation, a sheet of target material in the liquid state is formed.
  • the upper casing 452 aims to confine the vapors from the sheet of liquid formed, in operation, on the upper surface 344 of the hull.
  • the target 40 further comprises a fixed lower envelope 451 which envelops the lower surface 346 of the shell 34 opposite the upper surface 344 on which the sheet of liquid is formed.
  • a device for recovering the target material in the liquid state comprises a gutter 457 arranged on the outer periphery 345 of the shell and configured to receive, in operation, droplets originating from the sheet of target material induced by centrifugation, on the upper surface 344 of the shell.
  • the projections of liquid induced by centrifugation of the liquid following the setting in rotation of the shell are received in the gutter 457.
  • the lower casing 451 and the upper casing 452 are connected through the gutter.
  • the gutter 457 is integral with the upper casing 452; more specifically, the gutter is formed in this example by folding one end of the upper casing 452 so as to encompass the outer rim 345 and to curl under the lower surface 344 of the hull.
  • the target 40 further includes a reservoir 46 configured to contain, in operation, the target material in the liquid state
  • the reservoir 46 is formed by a protuberance of the lower casing 451.
  • the reservoir 46 is independent of the lower casing 451 and is made of a different material with a connection located at the bottom. level of a connection zone 462 between the reservoir and the lower casing. In normal operation, one will seek to ensure that the level of the liquid does not reach the connection zone 462 at the risk of being sucked by the centrifugal effect by the lower surface of the shell 346.
  • the assembly comprising the lower casing 451, the upper casing 452 and the reservoir 46 in this example form a fixed casing 45.
  • the casing 45 is made, for example, of stainless steel and / or a molybdenum-based alloy.
  • a preheater (not shown in FIG. 4) may be provided at the reservoir 46 for preheating the target material before operation and interaction with the accelerated particle beam. Preheating can be useful in the case of a target material such as metallic lithium which occurs in a liquid state at temperatures above ambient temperatures.
  • the target 40 also comprises an inlet duct 49 for a beam of accelerated particles 50.
  • the inlet duct is arranged around the periphery of an opening 48 opening out through the upper casing 452; it defines by its orientation the impact zone on the rotating shell, as will be explained by means of FIGS 6A - 6C.
  • the shape of the incident beam is defined upstream at the accelerator 13 (FIG. 1).
  • the casing 45 and the inlet duct 49 are integral.
  • a window (not shown in FIG. 4) can be used to separate the vacuum at the impact zone and the atmosphere of the target. Such a window is possible for example in cases where the energy of the beam allows it (sufficient transmission through the window).
  • the transmission through a window would be insufficient and the inlet duct 49 of the particle beam can be equipped with a system of. rapid shut-off and / or a condenser (not shown in FIG. 4).
  • the target 40 also comprises a device 47 for lifting the liquid from the reservoir 46 to the upper surface 344 of the shell 34.
  • the lifting device 47 is inserted partially or totally in the tubular extension 440 of the shell 34 immersed in the reservoir.
  • the extension 440 rotates at the same time as the hull and the lifting system.
  • the extension 440 can be surrounded by a fixed tube, not shown in FIG. 4, making it possible to limit the propagation of the rotational movement of the tubular extension 440 of the shell 34 and of the lifting system, to all the liquid in the tank.
  • the lifting device 47 is integral with the
  • the lifting device comprises, for example, a fin system 471 or a suitable version of a centrifugal rotor. In this way, the rotation of the shell automatically causes the target material to rise to a liquid state.
  • the gutter 457 is connected to the reservoir 46 by at least one return duct 43 forming a fluid connection between the two elements.
  • the target material in the liquid state projected in the gutter is directly reinjected into the reservoir 46 by gravity without using additional energy for it.
  • return conduits 43 make it possible to symmetrize the flows inside the reservoir.
  • the return conduits 43 are for example 4 in number and are located at 90 ° to each other.
  • the number of return conduits 43, their respective sizes and their positions can change without changing the subject of the present description. Support systems and stiffening of the assembly (shell, liquid return lines and envelopes) are not shown.
  • the target 40 can comprise a plate 459 arranged above the hull.
  • the plate 459 makes it possible in particular to limit the total liquid surface in direct communication with the vacuum near the arrival area of the beam. Said plate can be fixed, or rotating in this case integral with the shell.
  • the target 40 may also include one or more preheating and / or cooling devices, for example at the level of the casings and return lines 43, depending on the target material used and / or one or more condensing devices, for example. for the condensation of lithium vapors.
  • the lifting device 47 brings the target material in the liquid state, for example liquid lithium, to the center of the shell 34 so as to form a sheet of liquid as explained by means of FIG. 2.
  • the rotation of the shell 34 at an angular speed w extends by centrifugal effect the sheet of liquid.
  • the sheet of liquid then flows from the center to the outside of the portion
  • the sheet thus formed extends over the entire upper surface 344 of the shell 34.
  • the gyration causes the sheet to extend to the outer perimeter 345 of the shell 34 and to be projected into the gutter 457.
  • the sheet liquid projected into the gutter is directly reinjected into the reservoir by gravity by means of return conduits 43 without using additional energy.
  • the target 40 integrated into a generation system 10 as described for example by means of FIG. 1, makes it possible to implement a process for the production of nuclear particles, for example the generation of a neutron field in the case of using lithium as target material.
  • the method comprises a preliminary step of obtaining a vacuum of sufficient quality around the target 40, by means of the vacuum chamber 42, then the setting in rotation of the shell 34 and of the control device. lifting 47 to form the sheet of liquid (22, FIG. 2).
  • the admission of the beam of accelerated particles 50 coming from the particle accelerator 13 is then carried out in the inlet duct 49.
  • the method may also include a preliminary step of preheating the reservoir 46 and / or parts of the casing. 45 and return lines 43.
  • FIG. 5 is a diagram showing in more detail the circulation of the liquid in the example of target illustrated in FIG. 4 with the passage of the web 22 under the bundle area and the subsequent recovery of the fluid through the gutter 457.
  • the web may remain whole after its detachment from the support shell or else stand break up into ligaments or droplets.
  • FIGS. 6A to 6C illustrate more precisely the shape of the beam impact zone in different configurations of the inlet duct.
  • the inlet duct of the particle beam is arranged such that the accelerated particle beam (indicated by a bold arrow in FIGS 6A to 6C) is incident in a direction of space indicated by the angles b and c.
  • This configuration corresponds to a minimum of deformation of the impact zone of the beam compared to the section of the latter.
  • This configuration corresponds to a significant deformation of the impact zone of the beam with respect to the section thereof.
  • the target for the generation of nuclear particles comprises different variants, modifications and improvements which will be evident to those skilled in the art, it being understood that these different variants, modifications and improvements are within the scope of the invention as defined by the claims which follow.

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Abstract

Selon un aspect, la présente description a pour objet une cible (20) pour la production de particules nucléaires. La cible comprend une coque (24) formée par une surface de révolution et montée en rotation autour d'un axe de rotation (21) confondu avec un axe de révolution de ladite coque. La cible comprend par ailleurs un réservoir comprenant un matériau de cible à l'état liquide en opération, ledit matériau de cible étant adapté à la production desdites particules nucléaires; un dispositif de relevage du matériau de cible configuré pour entraîner, en opération, le matériau de cible du réservoir vers une surface supérieure (244) de la coque; une gouttière formée le long d'un pourtour externe (245) de la coque et configurée pour recevoir, en opération, des gouttelettes issues d'une nappe (22) de matériau de cible induite par centrifugation sur ladite surface supérieure de la coque, lors de la mise en rotation de la coque; au moins un conduit de retour formant une connexion fluidique entre ladite gouttière et ledit réservoir; un conduit d'arrivée configuré pour amener, en opération, un faisceau de particules accélérées dans une zone d'impact desdites particules accélérées avec la coque, ladite zone d'impact étant située sur ladite surface supérieure de la coque, l'interaction des dites particules accélérées avec le matériau de cible en circulation sur ladite surface supérieure de la coque générant lesdites particules nucléaires.

Description

Description
Titre : Cibles liquides pour la production de particules nucléaires
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne des cibles liquides pour la production de particules nucléaires et des systèmes intégrant de telles cibles. Elle concerne notamment des cibles pour la génération de champs neutroniques.
Etat de la technique
La production de particules nucléaires (par exemple neutrons, protons, particules alpha) est permise par une réaction nucléaire spécifique résultant de l'interaction d’un faisceau de particules incidentes que l’on sait déjà produire (par exemple protons, deutons ou autres noyaux atomiques) sur des cibles formées par un matériau permettant la réaction nucléaire spécifique.
En particulier, la production de champs neutroniques à haut flux (c’est-à-dire avec des flux supérieurs à 1012 n.cm^.s 1) trouve des applications dans des domaines très variés, comme par exemple le contrôle non destructif et l’analyse de matériaux, le dopage du silicium pour l’électronique de puissance et le domaine médical. Dans le domaine médical, on s’intéresse en particulier à l’application dite BNCT (acronyme anglo-saxon de « Boron Neutron Capture Therapy »), c’est-à-dire la thérapie par capture de neutrons par le Bore 10 (10B) préalablement vectorisé sur la tumeur. Dans cette application, on privilégie une énergie des neutrons pour l’irradiation du patient comprise entre environ 0,5 eV et 10 keV.
On connaît notamment pour la production de champs neutroniques la réaction nucléaire 7Li(p,n)7Be de protons d’énergie E > 1.88 MeV sur du lithium utilisé comme matériau de cible. Dans cette réaction, un proton (ou un deuton) entre en collision avec un noyau de lithium (7Li) pour former un noyau de Béryllium (7Be) avec éjection d’un neutron d’énergie comprise entre 25 keV et 785 keV. Un modérateur est ensuite utilisé pour réduire l’énergie des neutrons. Le noyau de 7Be formé lors de la réaction nucléaire est instable avec une demi-vie de 53 jours ; il se désintègre par capture électronique en émettant un gamma de 478 keV, nuisible d’un point de vue radioprotection. On cherche donc à contrôler la quantité de 7Be présente dans la cible.
Suivant les énergies de faisceaux de particules incidentes utilisées, la profondeur de pénétration dans le matériau de cible peut être plus ou moins grande. Dans le cas des basses énergies, cette pénétration est faible et le transfert de l’énergie du faisceau se fait en subsurface ce qui crée un échauffement important du matériau de cible. Il y a donc un intérêt à travailler avec des matériaux de cible minces pour répartir une partie de la chaleur apportée par le faisceau de particules incidentes dans le matériau de cible. Comme les couches minces solides présentent des problèmes de stabilité et détérioration sous faisceau, les cibles « liquides » représentent une solution intéressante pour les fortes puissances.
Ainsi, la réaction 7Li(p,n)7Be décrite ci-dessus peut être obtenue à partir d’une cible à base de lithium solide. Une telle cible comprend une fine couche de lithium solide agencée sur un support et sur laquelle vient frapper un faisceau de particules issu d’un accélérateur de particules. En pratique, l’intégrité de la couche et son adhérence sur le support doivent être garanties par l’évacuation en continu d’une puissance thermique de plus de 3 kW/cm2. Le lithium ayant un point de fusion bas (180,5 °C), la durée de vie d’une cible à base de lithium solide est limitée dans le temps et la cible doit donc être changée très régulièrement. Des cibles à base de lithium liquide ont également été développées. Le lithium liquide peut supporter des températures plus élevées par rapport au lithium solide. De ce fait, par rapport à une cible à base de lithium solide, les problèmes liés à l’intégrité de la couche, à sa tenue sur le support et à son maintien à très basse température (< 180°C) sont résolus.
Des exemples de cibles à base de lithium liquide sont décrites notamment dans Halfon et al. [Réf 1] et Kobayashi et al. [Réf 2] Les cibles à base de lithium liquide décrites dans les références précitées comprennent une circulation de lithium liquide dans des conduites fermées avec, au niveau de l’arrivée du faisceau de particules, une zone ouverte et incurvée sur laquelle le lithium forme une nappe de plusieurs centaines de microns jusqu’à 1,5 mm. Le débit de lithium dans les conduites est suffisant pour établir un défilement à vitesse élevée de la lame de liquide devant le faisceau (7 m/s dans le cas de la cible divulguée dans [Réf 1], jusqu’à 30 m/s dans le cas de la cible divulguée dans [Réf 2]), de sorte que la température de la nappe reste acceptable pour limiter l’évaporation du lithium.
Comme expliqué précédemment, le 7Be produit par la réaction 7Li(p,n)7Be contribue à créer une quantité non négligeable d’une espèce radioactive (7Be); il s’ensuit une activation possible des matériaux de la boucle contenant le lithium en circulation.
Une solution pour s’affranchir des problèmes de radiotoxicité du 7Be produit, décrite par exemple dans la [Réf 1], est d’utiliser un piège froid au niveau du réservoir de lithium pour condenser le 7Be à l’état solide dans le réservoir. Cette configuration implique de protéger plus particulièrement d’un point de vue radiologique le réservoir.
Ainsi, bien que permettant la génération d’un champ neutronique adaptée à une utilisation BNCT, l’utilisation du lithium liquide dans les cibles à circulation décrites dans l’état de l’art est en pratique limitée par la quantité nécessaire de lithium liquide et l’encombrement de l’installation, complexifiée par la gestion de la radiotoxicité associée au 7Be.
Le brevet US 5,870,447 [Réf. 3] décrit une cible comprenant un disque en rotation et un circuit de lithium liquide recyclé au moyen d’une pompe, permettant la projection de lithium liquide sous forme de gouttelettes par force centrifuge du centre vers la périphérie du disque. Dans un exemple de réalisation, de très fines gouttelettes de lithium ainsi projetées forment une dispersion de lithium liquide sur laquelle est envoyé un faisceau de protons pour générer un champ de neutrons. Cependant, le rendement attendu de production de neutrons sur des gouttelettes est très faible du fait de la faible section de rencontre entre le faisceau de protons et le lithium. D’autre part la puissance thermique reçue par les gouttelettes risque de conduire à leur volatilisation, d’autant plus que le rapport surface libre/volume est fortement augmenté dans cet exemple de réalisation. Alternativement, la [Réf. 3] décrit une configuration dans laquelle une fine couche de lithium liquide est supportée à la périphérie du disque par une feuille support de très faible épaisseur (de l’ordre du micron), par exemple une feuille de béryllium, à travers laquelle peut passer le faisceau de protons pour interagir avec le lithium liquide. Cependant, l’évacuation de chaleur par conduction sur une feuille de si faible épaisseur étant faible, une cible tournant à grande vitesse telle que divulguée dans la [Réf. 3] va surchauffer et se détruire rapidement. D’autre part, les forces exercées en périphérie sur une feuille support si mince ne sont pas supportables ni compatibles avec un système d’accrochage. Par ailleurs, la feuille support mince décrit dans la [Réf. 3], en plus d’être mécaniquement complexe à réaliser sous forme durable, entraîne une perte d’énergie du faisceau de protons devant le traverser et possiblement la génération d’autres particules nucléaires secondaires. Un objectif de la présente description est de proposer une nouvelle cible liquide qui permette une meilleure compacité de G installation et une quantité réduite de matériau de cible, notamment pour la génération de champs neutroniques, tout en permettant une excellente évacuation de la chaleur.
Résumé de l’invention
Selon un premier aspect, la présente description concerne une cible liquide pour la production de particules nucléaires, comprenant :
une coque formée par une surface de révolution et montée en rotation autour d’un axe de rotation confondu avec un axe de révolution de ladite coque;
un réservoir comprenant un matériau de cible à l’état liquide en opération, ledit matériau de cible étant adapté à la production desdites particules nucléaires ;
un dispositif de relevage du matériau de cible configuré pour entraîner, en opération, le matériau de cible du réservoir vers une surface supérieure de la coque ;
une gouttière formée le long d’un pourtour externe de la coque et configurée pour recevoir, en opération, des gouttelettes issues d’une nappe de matériau de cible induite par centrifugation sur ladite surface supérieure de la coque, lors de la mise en rotation de la coque,
au moins un conduit de retour formant une connexion fluidique entre ladite gouttière et ledit réservoir ; et
un conduit d’arrivée configuré pour amener, en opération, un faisceau de particules accélérées dans une zone d’impact desdites particules accélérées avec la coque, ladite zone d’impact étant située sur ladite surface supérieure de la coque, l’interaction des dites particules accélérées avec le matériau de cible en circulation sur ladite surface supérieure de la coque générant lesdites particules nucléaires.
Une cible conforme à la présente description permet ainsi l’obtention, par centrifugation, d’une nappe de matériau de cible à l’état liquide, formée dans un dispositif fonctionnant en circulation fermée. Il en résulte, notamment par rapport aux cibles liquides décrites dans l’état de l’art, une diminution de l’encombrement de installation nécessaire au fonctionnement de la cible et une limitation du volume de liquide nécessaire.
Par ailleurs, comme la zone d’impact des particules accélérées avec la cible, et plus précisément avec la coque, est une zone située sur la surface supérieure de la coque, on génère dans la cible selon la présente description une nappe de matériau de cible avec laquelle viennent interagir directement les particules accélérées. La nappe de matériau de cible ainsi générée sur la surface supérieure de la coque est suffisamment épaisse de sorte qu’on obtient une excellente évacuation thermique à la fois par conduction dans la coque qui la supporte et par convection via le liquide ; il est par conséquent possible de supporter sans dégradation de fortes puissances de faisceau de particules incidentes et de produire des flux de particules nucléaires plus élevés.
La cible selon la présente description peut fonctionner, en utilisation, dans une configuration « horizontale », c’est-à-dire avec un axe de rotation de la coque agencé verticalement. Un tel agencement permet au matériau de cible à l’état liquide projeté dans la gouttière d’être directement réinjecté dans le réservoir par gravité sans utiliser un surcroît d’énergie.
Par « particule nucléaire » on comprend toute particule qui peut être produite par une réaction nucléaire, par exemple les neutrons, protons, particules alpha.
Par « faisceau de particules accélérées », on comprend dans la présente description des particules, par exemple des protons ou des deutons, qui bombardées sur un matériau de cible donné, permettent de produire des particules nucléaires.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau de cible comprend des fluides qui, en opération et à très basses températures, sont à l’état liquide, comme l’hydrogène, l’azote, l’argon ou le xénon.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau de cible comprend des matériaux, par exemple du lithium métallique ou des sels fondus fluorés, qui en opération et à haute température, sont à l’état liquide.
Ainsi, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible liquide est adaptée à la génération de champs neutroniques et le matériau de cible est par exemple du lithium métallique qui, en opération, est à l’état liquide.
Dans le cas de la production neutronique, la cible est généralement entourée d’un modérateur de neutrons ; la compacité de la cible selon la présente description permet de conserver l’ensemble du lithium dans une zone de neutrons thermiques rétrodiffusés par le modérateur qui l’entoure. Ceci permet la transmutation du 7Be par la réaction 7Be(nth,p)7Li, le produit obtenu n’étant autre que le 7Li initial. On s’affranchit ainsi de la nécessité d’un piège à 7Be et on obtient une auto régénération du lithium liquide.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, dans le cas notamment où le matériau de cible comprend du lithium, la coque est formée en molybdène ou dans un alliage à base de molybdène (par exemple TZM à base de molybdène (99,5%) avec zirconium et titane), ou en acier ou en une association de ces deux matériaux. Dans le cas de génération d’autres types de particules que les neutrons, différents matériaux peuvent être utilisés pour la coque, les matériaux étant choisis pour ne pas présenter de réaction avec le matériau de cible à l’état liquide à la température d’utilisation ; par exemple, la coque peut être formée de matériaux à base carbone pour des matériaux de cible comprenant des sels fondus fluorés.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la surface de révolution formant ladite coque comprend au moins une première portion tronconique dont le sommet se situe sur l’axe de rotation et qui présente un demi-angle au sommet donné. D’autres formes peuvent être envisagées pour ladite première portion, comme par exemple une forme présentant un profil courbe selon un plan méridien (ou plan contenant l’axe de révolution).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, dans le cas de l’utilisation d’une première portion tronconique, le demi-angle au sommet de ladite portion tronconique est compris entre 0° et 90°, avantageusement entre 40° et 50°.
Dans la présente description, un rayon r de la première portion (par exemple tronconique ou courbe) en un point donné est défini dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la coque, par une distance entre ledit axe de rotation et ledit point.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un rayon de la première portion au niveau de la zone d’impact est compris entre 15 cm et 45 cm.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la surface de révolution formant ladite coque comprend au moins une première portion et une deuxième portion formant une base à laquelle ladite première portion est raccordée. Par exemple, la base est plate ou tronconique. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la première portion est raccordée à ladite base par un congé de raccordement assurant une variation de pente continue entre ladite base et ladite première portion ; Cela permet d’assurer que la surface supérieure de la coque sur laquelle s’étale, en opération, le matériau de cible liquide, ne comprenne pas de raccordement qui pourrait perturber l’écoulement du liquide. Par exemple, un rayon de courbure du congé de raccordement est compris entre 5 mm et 50 mm.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ladite première portion et ladite base sont monobloc. Alternativement, ladite première portion et ladite base peuvent être formées de deux parties assemblées par vissage ou soudure.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif de relevage du matériau de cible comprend une ou plusieurs ailettes ou un rotor, configurée(s) pour être entraînée(s) en rotation autour d’un axe solidaire de l’axe de rotation de la coque. La mise en rotation de la coque entraîne la mise en circulation du liquide grâce à l’effet de centrifugation dès que le liquide est remonté au niveau de la surface supérieure de la coque sans nécessiter un autre mécanisme de pompage pour le liquide.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ledit système de relevage du matériau de cible comprend une pompe intercalée entre une extrémité du conduit de retour et le réservoir. Ce dispositif est plus complexe mais peut cependant permettre de supprimer la corrélation entre le débit et la vitesse de rotation.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre une plaque agencée au-dessus de la coque, ladite plaque permettant notamment de limiter la surface totale de liquide en communication directe avec le vide à proximité de la zone d’arrivée du faisceau. Ladite plaque peut être fixe, ou tournante et solidaire de la coque.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre une enveloppe supérieure fixe agencée pour envelopper, au moins partiellement, ladite surface supérieure de la coque.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre une enveloppe inférieure fixe agencée pour envelopper, au moins partiellement, une surface inférieure de la coque opposée à ladite surface supérieure.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ladite enveloppe inférieure est solidaire du réservoir. Lesdites enveloppes supérieure et/ou inférieure permettent de confiner les vapeurs issues du matériau de cible à l’état liquide et de les condenser sur leurs parois.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ladite enveloppe supérieure est traversée par ledit conduit d’arrivée permettant d’amener ledit faisceau de particules accélérées dans ladite zone d’impact.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ladite enveloppe supérieure comprend une ou plusieurs ouvertures pour le pompage du matériau de cible à l’état liquide et/ou le passage d’un dispositif d’entraînement en rotation de la coque si
l’entraînement de celle-ci se fait par le haut, c’est-à-dire du côté de la surface supérieure de la coque.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la gouttière est solidaire de l’enveloppe supérieure, et est formée de manière à englober ledit pourtour externe de la coque et à se recourber sous la surface inférieure de la coque, opposée à ladite surface supérieure.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, lesdites enveloppes supérieure et inférieure sont reliées, au moins localement, au moyen de ladite gouttière.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le réservoir comprend une ouverture pour le passage d’un dispositif d’entraînement en rotation de la coque si
l’entraînement de celle-ci se fait par le bas, c’est-à-dire du côté de la surface inférieure de la coque, opposée à la surface supérieure. Ladite ouverture est alors agencée pour assurer un passage étanche du dispositif d’entraînement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le réservoir et/ou les enveloppes supérieure et/ou inférieure sont formés en un matériau comprenant du molybdène, de l’inox ou une association des deux matériaux.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend une pluralité de conduits de retour entre la gouttière et le réservoir, par exemple entre 2 et 8. Le ou lesdits conduit(s) de retour peuvent être de formes variées (section circulaire, ovoïde, etc.) et à surfaces de section variables.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible est configurée pour accepter un régime stable de rotation de la coque avec une vitesse comprise entre 300 et 800 tours/min.
Le volume total de matériau de cible à l’état liquide dans une cible selon la présente description est déterminé en fonction de la géométrie du système et de la vitesse de rotation nominale choisie pour le fonctionnement. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le volume de liquide dans le système de circulation fermée est compris entre 2 et 5 litres, c’est-à-dire un volume près de 3 fois inférieur au volume liquide nécessaire dans les cibles à base de lithium liquide connues de l’état de l’art.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible est configurée pour produire, en fonctionnement, une nappe de matériau de cible à l’état liquide d’épaisseur comprise entre 50 pm et 5 mm. Avantageusement, dans le cas du lithium liquide, une épaisseur comprise entre 80 pm et 140 pm, par exemple entre 80 pm et 100 pm sera choisie en ce qu’elle permet de situer le maximum de perte d’énergie, et donc d’échauffement, dans la zone superficielle de la coque et pas dans la nappe de lithium liquide. D’autre part, des épaisseurs trop faibles de lithium risquent de conduire à un démouillage local du lithium sur la surface de la coque.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé dans un plan contenant l’axe de rotation de la coque. Cette configuration correspond à un minium de déformation de la forme de la zone d’impact du faisceau par rapport à la section de celui-ci.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé dans un plan tangentiel à une circonférence de rotation au niveau de la zone d’impact. Cette configuration correspond à une déformation importante de la zone d’impact du faisceau par rapport à la section de celui-ci.
De façon générale, il existe une grande latitude sur le choix des angles définissant l’orientation du conduit d’arrivée par rapport à la zone d’impact et ces angles pourront être choisis pour rendre minimal le temps de séjour du matériau de cible à l’état liquide sous le faisceau de particules accélérées.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le conduit d’arrivée du faisceau de particules accélérées est équipé d’un système d’obturation rapide du faisceau.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le conduit d’arrivée du faisceau de particules accélérées est équipé d’un condenseur.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre un dispositif de préchauffage matériau de cible au niveau du réservoir.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre un dispositif de préchauffage d’au moins une partie de l’enveloppe supérieure et/ou de l’enveloppe inférieure et/ou du réservoir. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre un système de refroidissement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la cible comprend en outre une enceinte configurée pour créer au niveau de la zone d’impact un vide compatible avec la génération desdites particules nucléaires.
Selon un second aspect, la présente description concerne un système de production de particules nucléaires comprenant :
une source de particules adaptées pour produire, lors de l’interaction avec un matériau de cible, lesdites particules nucléaires;
un accélérateur de particules configuré pour recevoir un faisceau de particules de ladite source et former un faisceau de particules accélérées ; une cible selon le premier aspect comprenant ledit matériau de cible et configurée pour recevoir, au niveau du conduit d’arrivée, ledit faisceau de particules accélérées et générer au niveau de la zone d’impact lesdites particules nucléaires.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, dans le cas de la génération d’un champ neutronique, le système de production comprend en outre un modérateur de neutrons agencé autour de la cible.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la source de particules émet des protons ou des deutons.
Selon un troisième aspect, la présente description concerne un procédé de production de particules nucléaires au moyen d’un système de production selon le deuxième aspect.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ledit procédé comprend :
la mise en rotation de ladite coque ;
la mise en circulation du liquide par la mise en fonctionnement du dispositif de relevage ;
l’admission d’un faisceau de particules accélérées provenant dudit accélérateur de particules dans le conduit d’arrivée.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre, dans le cas de matériaux de cible solides à température ordinaire, une étape de préchauffage du réservoir contenant le matériau de cible et/ou de différents éléments de la cible. L’étape de préchauffage permet alors la circulation du liquide même en l’absence de la puissance thermique transmise par le faisceau de particules accélérées, dans le cas de matériau de cible solide à température ordinaire. Dans le cas de fluides à basse température, le procédé peut comprendre alternativement une régulation du refroidissement.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre le refroidissement de la cible en présence du faisceau de particules accélérées, avec un arrêt progressif du préchauffage, en corrélation avec la puissance thermique transmise au système par celui-ci.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation la vitesse de rotation de la coque est comprise entre 300 et 800 tours/min.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation la vitesse d’écoulement ascendante du liquide sur ladite surface supérieure de la coque est comprise entre de 1 m/s et 3 m/s. La vitesse ascendante est définie comme la vitesse de déplacement de la nappe de liquide par rapport à la coque.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation la vitesse tangentielle du liquide au niveau de la zone d’impact est compris entre 5 m/s et 40 m/s.
Brève description des figures
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
[Fig. 1] représente schématiquement un exemple de système de génération de particules nucléaires selon la présente description.
[Fig. 2] représente un schéma illustrant le principe d’une cible liquide selon la présente description.
[Fig. 3 A] représente un schéma illustrant un premier exemple de coque dans une cible selon la présente description.
[Fig. 3B] représente un schéma illustrant un deuxième exemple de coque dans une cible selon la présente description
[Fig. 4] représente un schéma illustrant un exemple de cible liquide selon la présente description.
[Fig. 5] représente un schéma montrant la circulation du liquide dans l’exemple de cible illustré sur la Fig. 4.
[Fig. 6A] représente un schéma décrivant le repérage angulaire (b et c) de la position d’arrivée du faisceau de particules par rapport à l’axe de rotation de la coque. [Fig. 6B] représente le cas particulier où le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé dans un plan contenant l’axe de rotation (c = 0°).
[Fig. 6C] représente le cas particulier où le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé dans un plan tangentiel à une circonférence de rotation (c =
90°).
Description détaillée de l’invention
La FIG. 1 illustre de façon générale des éléments d’un système 10 de production de particules nucléaires conforme à la présente description. Le système 10 comprend une source de particules 11, par exemple une source de protons ou une source de deutons, un accélérateur de particules 13 pour former à partir des particules émises par la source 11 un faisceau de particules accélérées et une cible 15, la cible 15 permettant, en opération, l’interaction entre le faisceau de particules accélérées et une nappe de matériau de cible à l’état liquide pour générer les particules nucléaires. La cible est par ailleurs agencée au sein d’une enceinte à vide (non représentée) compatible avec les vides nécessaires aux faisceaux de particules.
Dans le cas par exemple de la génération d’un champ neutronique, le matériau de cible peut être du lithium métallique, à l’état liquide pour des températures supérieures à 180°C. Les particules incidentes peuvent être selon un exemple, des protons : un proton entre en collision avec un noyau de lithium (7Li) pour former au moyen d’une réaction nucléaire un noyau de Béryllium (7Be) avec éjection d’un neutron d’énergie comprise entre 25 keV et 785 keV.
Selon un autre exemple, les particules incidentes sont des deutons : un deuton entre en collision avec un noyau de lithium (7Li) pour former au moyen d’une réaction nucléaire deux noyaux de 4He.
Dans le cas de la génération de champ neutronique avec le lithium, le système 10 peut comprendre par ailleurs, tout autour de la cible 15, un milieu modérateur (non représenté) pour diminuer l’énergie des neutrons du champ neutronique ainsi généré. Le modérateur comprend par exemple un milieu hydrogéné (polyéthylène ou autre). Le modérateur permet de ralentir les neutrons en permettant leur rétrodiffusion vers la cible 15. Ainsi, ces neutrons vont interagir avec le 7Be, produit de la réaction 7Li(p,n)7Be. En capturant un neutron lent avec une section efficace très élevée, le 7Be se transmute en 7Li selon la réaction 7Be(nth,p)7Li. Le produit obtenu n’est autre que le 7Li initial ce qui correspond donc à une auto régénération du lithium. Cela permet de s’affranchir de la nécessité d’un piège à 7Be et élimine ainsi le risque
radiologique.
La FIG. 2 représente un schéma illustrant le principe de fonctionnement d’une cible liquide 20 selon un exemple de la présente description.
La cible 20 schématiquement représentée comprend une coque 24 formée par une surface de révolution et montée en rotation autour d’un axe de rotation 21 confondu avec un axe de révolution de ladite coque. Dans l’exemple de la Fig. 2, la coque comprend une portion tronconique 242 dont le sommet se situe sur l’axe de rotation et qui présente un demi-angle au sommet a donné.
La cible 20 comprend par ailleurs un réservoir (non représenté en FIG. 2) comprenant un matériau de cible à l’état liquide en opération, par exemple du lithium, et un dispositif de relevage du matériau de cible (non représenté en FIG. 2) configuré pour entraîner, en opération, le matériau de cible à l’état liquide du réservoir vers la surface supérieure 244 de la coque tournante. Un conduit d’arrivée (non représenté sur la FIG. 2) permet d’amener, en opération, un faisceau de particules accélérées dans une zone d’impact de la coque, l’interaction des dites particules accélérées avec le matériau de cible en circulation sur ladite surface supérieure de la coque générant par réaction nucléaire des particules nucléaires. Comme illustré sur la FIG. 2, la mise en rotation de la coque 24 à une vitesse angulaire w génère, par effet centrifuge, sur la surface supérieure de la coque, une nappe 22 de matériau de cible à l’état liquide, par exemple du lithium liquide, d’épaisseur ô(r), r étant un rayon de la portion tronconique 242. Du fait de la centrifugation, la nappe de liquide 22 subit un déplacement ascendant le long de la portion tronconique 242 vers un pourtour externe 245 de la coque formant dans cet exemple une extrémité annulaire, ce qui résulte en un débordement du liquide à l’extérieur de la portion tronconique, sous forme de nappe libre, de ligaments ou de gouttelettes. Un ou plusieurs conduit(s) de retour (non représenté(s) sur la FIG. 2) permet(tent) alors de récupérer le matériau de cible à l’état liquide et de le diriger vers le réservoir, aux fins d’en permettre la recirculation dans un système fermé, schématiquement représentée par la référence 23 sur la FIG. 2.
Dans le cas de la génération d’un champ neutronique à partir de lithium, la production de neutrons a lieu dans les premiers microns en subsurface du métal ; au- delà, le trajet ultérieur du faisceau ne correspond qu’à un ralentissement des protons, et donc à un dépôt d’énergie que l’on cherche à minimiser dans le lithium pour limiter son échauffement. On montre (voir Halfon et al. [Réf. 4]) que la pénétration du faisceau de protons se poursuit en profondeur avec un dépôt maximal d’énergie à partir de 140 pm. On recherche de ce fait une épaisseur de lithium au niveau de la zone d’impact avec le faisceau de particules inférieure à une valeur prédéterminée, de sorte à déposer une partie importante de l’énergie non pas dans le liquide mais dans la coque. Typiquement, on recherche une épaisseur de lithium liquide au niveau de la zone d’impact inférieure à 140 pm mais suffisante pour ne pas passer dans une gamme susceptible d’engendrer un démouillage du film à cause de fluctuations locales. Avantageusement cette épaisseur est comprise entre 100 pm et 140 pm.
Dans l’exemple de la FIG. 2, le profil de la coque est tronconique. D’autres exemples de profils sont décrits par la suite (voir FIGS 3 A et 3B). Un profil de coque à portion tronconique permet un calcul analytique de l’épaisseur de la nappe de liquide 22 en fonction de paramètres comprenant : le demi-angle au sommet a de la portion tronconique, la vitesse de rotation co de la coque, le rayon r de la portion tronconique au niveau de la zone d’impact et le débit du liquide. On pourra se baser pour ces calculs sur les publications de S. V. Kralshevsky ét al. (Réf. [5, 6]). Dans le cas particulier des cibles à recirculation basée sur un système de relevage relié à l’axe de rotation, le débit n’est pas un paramètre indépendant mais est lié à la vitesse de rotation de la coque.
Les FIG. 3 A et 3B présentent deux exemples de portions d’une coque 34 avec des profils dans un plan méridien différents. Dans ces exemples, la coque comprend une première portion 342 et une deuxième portion 341 formant une base à laquelle la première portion est raccordée. Dans les deux cas, en opération, la nappe de liquide (non représentée sur les FIGS. 3 A, 3B) se forme sur une surface supérieure 344 de la coque et subit, en opération, un mouvement ascendant le long de la première portion 342 vers un pourtour externe 345 de la coque. La surface 346 opposée à la surface supérieure 344 est appelée surface inférieure de la coque.
Dans l’exemple de la FIG. 3A, la première portion 342 est tronconique. La base 341 et la portion tronconique 342 sont reliées par un congé 343 assurant une transition angulaire douce entre ces deux portions pour perturber le moins possible
l’écoulement du liquide. Le congé 343 est caractérisé par exemple par un rayon de courbure compris entre 5 mm et 50 mm. La coque n’est pas obligatoirement composée d’éléments tronconiques et peut être formée par une surface de révolution dont la courbure évolue régulièrement, comme représenté sur la FIG. 3B. Ainsi, dans l’exemple de la FIG. 3B, la première portion 342 présente un profil courbe dans un plan méridien contenant l’axe de révolution 31. Dans une cible avec une coque telle que représentée sur la FIG. 3B, on pourra calculer une approximation de l’épaisseur de la nappe de liquide au niveau de la zone d’impact en utilisant les résultats des calculs d’épaisseur effectués dans le cas d’une portion tronconique et en prenant pour le demi-angle au sommet a une valeur moyenne des valeurs des tangentes à la coque dans la zone d’impact.
La FIG. 4 représente un schéma illustrant une cible 40 selon un exemple de la présente description, par exemple, mais non exclusivement, une cible à base de lithium liquide.
La cible 40 comprend une coque axisymétrique 34 en rotation autour d’un axe de rotation 31 avec une portion tronconique 342 reliée à une base 341, comme dans l’exemple de la FIG. 3 A. La coque comprend en outre dans cet exemple une troisième portion 440 formant un prolongement tubulaire plongeant dans un réservoir 46 comprenant un matériau de cible à l’état liquide en opération. La coque est formée en un matériau comprenant selon des exemples de réalisation, du molybdène et/ou un acier ou une association des deux matériaux.
Dans l’exemple de la FIG. 4, la cible 40 comprend en outre une enveloppe supérieure 452, fixe, agencée pour envelopper au moins partiellement la surface supérieure 344 de la coque 34 sur laquelle, en opération, une nappe de matériau de cible à l’état liquide vient se former. L’enveloppe supérieure 452 vise à confiner les vapeurs issues de la nappe de liquide formée, en opération, sur la surface supérieure 344 de la coque.
Dans l’exemple de la FIG. 4, la cible 40 comprend en outre une enveloppe inférieure 451 fixe qui enveloppe la surface inférieure 346 de la coque 34 opposée à la surface supérieure 344 sur laquelle est formée la nappe de liquide.
Dans l’exemple de la FIG. 4, un dispositif de récupération du matériau de cible à l’état liquide comprend une gouttière 457 agencée sur le pourtour externe 345 de la coque et configurée pour recevoir, en opération, des gouttelettes issues de la nappe de matériau de cible induite par centrifugation, sur la surface supérieure 344 de la coque. Ainsi, les projections de liquide induites par centrifugation du liquide par suite de la mise en rotation de la coque sont réceptionnées dans la gouttière 457.
Dans l’exemple de la FIG. 4, l’enveloppe inférieure 451 et l’enveloppe supérieure 452 sont reliées par l’intermédiaire de la gouttière. Ainsi, dans cet exemple, la gouttière 457 est solidaire de l’enveloppe supérieure 452 ; plus précisément, la gouttière est formée dans cet exemple par le repliement d’une extrémité de l’enveloppe supérieure 452 de telle sorte à englober le pourtour externe 345 et à se recourber sous la surface inférieure 344 de la coque.
La cible 40 comprend par ailleurs un réservoir 46 configuré pour contenir, en opération, le matériau de cible à l’état liquide
Dans l’exemple de la FIG. 4, le réservoir 46 est formé par une excroissance de l’enveloppe inférieure 451. Néanmoins, il est tout à fait envisageable que le réservoir 46 soit indépendant de l’enveloppe inférieure 451 et soit constitué d’un matériau différent avec un raccordement situé au niveau d’une zone de raccord 462 entre le réservoir et l’enveloppe inférieur. En fonctionnement normal, on cherchera à ce que le niveau du liquide n’atteigne pas la zone de raccord 462 au risque d’être aspiré par effet de centrifugation par la surface inférieure de la coque 346.
L’ensemble comprenant l’enveloppe inférieure 451, l’enveloppe supérieure 452 et le réservoir 46 forment dans cet exemple une enveloppe fixe 45. L’enveloppe 45 est constituée par exemple d’inox et/ou d’alliage à base de molybdène.
Un dispositif de préchauffage (non représenté sur la FIG. 4) peut être prévu au niveau du réservoir 46 pour le préchauffage du matériau de cible avant la mise en fonctionnement et l’interaction avec le faisceau de particules accélérées. Le préchauffage peut être utile dans le cas d’un matériau de cible comme le lithium métallique qui se présente à l’état liquide à des températures supérieures aux températures ambiantes.
La cible 40 comprend par ailleurs un conduit d’arrivée 49 pour un faisceau de particules accélérées 50. Le conduit d’arrivée est agencé sur le pourtour d’une ouverture 48 débouchant à travers l’enveloppe supérieure 452 ; il définit par son orientation la zone d’impact sur la coque tournante, comme cela sera expliqué au moyen des FIGS 6A - 6C. La forme du faisceau incident est définie en amont au niveau de l’accélérateur 13 (FIG. 1). Dans l’exemple de la FIG. 4, l’enveloppe 45 et le conduit d’arrivée 49 sont solidaires. Dans des exemples de réalisation, une fenêtre (non représentée sur la FIG. 4) peut être utilisée pour séparer le vide au niveau de la zone d’impact et l’atmosphère de la cible. Une telle fenêtre est possible par exemple dans les cas où l’énergie du faisceau le permet (transmission suffisante à travers la fenêtre). Dans d’autres exemples de réalisation, par exemple dans le cas des cibles lithium pour les applications à basse énergie, la transmission à travers une fenêtre serait insuffisante et le conduit d’arrivée 49 du faisceau de particules peut être équipé d’un système d’obturation rapide et/ou d’un condenseur (non représenté sur la FIG. 4).
La cible 40 comprend par ailleurs un dispositif de relevage 47 du liquide du réservoir 46 vers la surface supérieure 344 de la coque 34.
Dans l’exemple de la FIG. 4, le dispositif de relevage 47 est inséré partiellement ou totalement dans le prolongement tubulaire 440 de la coque 34 plongeant dans le réservoir. Le prolongement 440 tourne en même temps que la coque et que le système de relevage. Le prolongement 440 peut être entouré d’un tube fixe non représenté sur la FIG.4 permettant de limiter la propagation du mouvement de rotation du prolongement tubulaire 440 de la coque 34 et du système de relevage, à l’ensemble du liquide du réservoir.
Dans l’exemple de la FIG. 4, le dispositif de relevage 47 est solidaire du
prolongement 440 et est représenté sous la forme d’une vis sans fin pour symboliser l’action de relevage. Le dispositif de relevage comprend par exemple un système d’ailettes 471 ou une version adaptée de rotor centrifuge. De cette manière, la mise en rotation de la coque entraîne automatiquement le relevage du matériau de cible à l’état liquide.
La gouttière 457 est connectée au réservoir 46 par au moins un conduit de retour 43 formant une connexion fluidique entre les deux éléments. Ainsi, le matériau de cible à l’état liquide projeté dans la gouttière est directement réinjecté dans le réservoir 46 par gravité sans utiliser un surcroît d’énergie pour cela.
Plusieurs conduits de retour 43 permettent de symétriser les écoulements à l’intérieur du réservoir. Dans l’exemple de la FIG. 4, les conduits de retour 43 sont par exemple au nombre de 4 et sont situés à 90° l’un de l’autre. Néanmoins, le nombre des conduits de retour 43, leurs tailles respectives et leurs positionnements peuvent évoluer sans changer l’objet de la présente description. Les systèmes de supportage et de rigidification de l’ensemble (coque, conduites de retour du liquide et enveloppes) ne sont pas représentés.
En plus des éléments précités, la cible 40 peut comprendre une plaque 459 agencée au-dessus de la coque. La plaque 459 permet notamment de limiter la surface totale de liquide en communication directe avec le vide à proximité de la zone d’arrivée du faisceau. Ladite plaque peut être fixe, ou tournante dans ce cas solidaire de la coque. La cible 40 peut également comprendre un ou plusieurs dispositifs de préchauffage et/ou de refroidissement, par exemple au niveau des enveloppes et des conduites de retour 43, en fonction du matériau de cible utilisé et/ou un ou plusieurs dispositifs de condensation, par exemple pour la condensation des vapeurs de lithium.
En fonctionnement, le dispositif de relevage 47 amène le matériau de cible à l’état liquide, par exemple du lithium liquide, au centre de la coque 34 de manière à former une nappe de liquide comme expliqué au moyen de la FIG. 2. La mise en rotation de la coque 34 à une vitesse angulaire w étend par effet centrifuge la nappe de liquide. La nappe de liquide s’écoule alors du centre vers l’extérieur de la portion
tronconique 342 suite à la mise en rotation de la coque 34.
La nappe ainsi formée s’étend sur l’intégralité de la surface supérieure 344 de la coque 34. La giration conduit la nappe à s’étendre jusqu’au pourtour externe 345 de la coque 34 et à être projetée dans la gouttière 457. Le liquide projeté dans la gouttière est directement réinjecté dans le réservoir par gravité au moyen des conduits de retour 43 sans utiliser un surcroît d’énergie.
La cible 40 intégrée dans un système de génération 10 tel que décrit par exemple au moyen de la FIG. 1, permet de mettre en œuvre un procédé de production de particules nucléaires, par exemple la génération d’un champ neutronique dans le cas d’utilisation du lithium comme matériau de cible.
Le procédé comprend selon des exemples de réalisation une étape préalable d’obtention d’un vide de qualité suffisante autour de la cible 40, au moyen de l’enceinte à vide 42, puis la mise en rotation de la coque 34 et du dispositif de relevage 47 pour former la nappe de liquide (22, FIG. 2). L’admission du faisceau de particules accélérées 50 provenant de l’accélérateur de particules 13 est alors effectuée dans le conduit d’arrivée 49. Le procédé peut comporter également une étape préalable de préchauffage du réservoir 46 et/ou de parties de l’enveloppe 45 et des conduites de retour 43. La FIG. 5 représente un schéma montrant plus en détails la circulation du liquide dans l’exemple de cible illustré en FIG. 4 avec le passage de la nappe 22 sous la zone de faisceau et la récupération ultérieure du fluide par la gouttière 457. Suivant les conditions utilisées (géométries et vitesses de rotation) la nappe peut rester entière après son décollement de la coque support ou bien se morceler en ligaments ou en gouttelettes.
Les FIGS. 6A à 6C illustrent plus précisément la forme de la zone d’impact du faisceau dans différentes configurations du conduit d’arrivée.
Comme illustré sur la FIG. 6A, le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé de telle sorte que le faisceau de particules accélérées (indiqué par une flèche en gras sur les FIGS 6A à 6C) soit incident dans une direction de l’espace repérée par les angles b et c.
Selon un exemple de réalisation, le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé de telle sorte que le faisceau de particules accélérées soit incident dans un plan contenant l’axe de rotation (c = 0°) comme représenté sur la FIG. 6B. Cette configuration correspond à un minium de déformation de la zone d’impact du faisceau par rapport à la section de celui-ci.
Selon un autre exemple de réalisation, le conduit d’arrivée du faisceau de particules est agencé de telle sorte que le faisceau de particules accélérées soit incident dans un plan tangentiel à une circonférence de rotation de rayon r (c = 90°) comme représenté sur la FIG. 6C. Cette configuration correspond à une déformation importante de la zone d’impact du faisceau par rapport à la section de celui-ci.
Il existe une grande latitude sur le choix des angles (b et c), en fonction du choix de la position du système d’entrainement de la rotation, du liquide utilisé, de la température de fonctionnement et de la configuration de l’accélérateur de particule en amont. Dans le cas du lithium liquide, les valeurs sont avantageusement choisies dans les intervalles a < b < 90° et 45° < c < 90° de sorte que le temps de séjour du lithium sous le faisceau soit minimisé.
Bien que décrite à travers un certain nombre d’exemples de réalisation, la cible pour la génération de particules nucléaires selon la présente description comprend différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l’homme de l’art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l’invention telle que définie par les revendications qui suivent.
Références
Réf 1. Halfon et al. « Démonstration of a high-intensity neutron source based on a liquid-lithium target for Accelerator based Boron Neutron Capture Therapy » Applied Radiation and Isotopes 106 (2015) pp 57-62.
Réf 2. Kobayashi et al. « Development of Liquid-Lithium Target of 7Li(p,n)7Be
Reactions for BNCT » Applied Radiation and Isotopes Volume 88 (2014) ppl98-202. Réf. 3: US5,870,447
Réf 4. Halfon et al. « High power liquid-lithium jet target for neutron production » Review of Scientific Instruments 84, 123507 (2013).
Réf 5. Makarytchev et al. « On modelingfluid over a rotating conical surface » Chemical Engineering Science, vol.52, n°6, pp 1055-1057 (1997).
Réf 6. Makarytchev et al. « Thickness and velocity ofwavy liquid films on rotating conical surfaces » Chemical Engineering Science, vol.56, pp 77-87 (2001)

Claims

REVENDICATIONS
1. Cible (20, 40) pour la production de particules nucléaires comprenant :
une coque (24, 34) formée par une surface de révolution et montée en rotation autour d’un axe de rotation (21, 31) confondu avec un axe de révolution de ladite coque;
un réservoir (46) comprenant un matériau de cible à l’état liquide en opération, ledit matériau de cible étant adapté à la production desdites particules nucléaires;
un dispositif de relevage (47) du matériau de cible configuré pour entraîner, en opération, le matériau de cible du réservoir vers une surface supérieure (244, 344) de la coque;
une gouttière (457) formée le long d’un pourtour externe (345) de la coque et configurée pour recevoir, en opération, des gouttelettes issues d’une nappe de matériau de cible induite par centrifugation sur ladite surface supérieure de la coque, lors de la mise en rotation de la coque ;
au moins un conduit de retour (43) formant une connexion fluidique entre ladite gouttière (457) et ledit réservoir (46) ;
un conduit d’arrivée (49) configuré pour amener, en opération, un faisceau (50) de particules accélérées dans une zone d’impact desdites particules accélérées avec la coque, ladite zone d’impact étant située sur ladite surface supérieure de la coque, l’interaction des dites particules accélérées avec le matériau de cible en circulation sur ladite surface supérieure de la coque générant lesdites particules nucléaires.
2. Cible (40) selon la revendication 1, comprenant en outre une enveloppe supérieure fixe (45) configurée pour envelopper, au moins partiellement, ladite surface supérieure de la coque, ladite enveloppe supérieure étant traversée par ledit conduit d’arrivée configuré pour amener ledit faisceau de particules accélérées vers ladite zone d’impact.
3. Cible (40) selon la revendication 2, dans laquelle la gouttière (457) est solidaire de ladite enveloppe supérieure et est formée de manière à englober ledit pourtour externe de la coque et à se recourber sous une surface inférieure (346) de la coque, opposée à ladite surface supérieure (344) de la coque.
4. Cible (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une enveloppe inférieure fixe (451) agencée pour envelopper, au moins partiellement, une surface inférieure de la coque opposée à ladite surface supérieure, ladite enveloppe inférieure étant solidaire dudit réservoir.
5. Cible (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de relevage (47) du matériau de cible comprend une ou plusieurs ailettes ou une version adaptée de rotor centrifuge configurée(s) pour être entraînée(s) en rotation autour d’un axe solidaire de l’axe de rotation de la coque.
6. Cible (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite coque comprend au moins une première portion tronconique (242,
342) dont le sommet se situe sur l’axe de rotation et qui présente un demi-angle au sommet donné (a).
7. Cible (40) selon la revendication 6, dans laquelle le demi-angle au sommet (a) est compris entre 40° à 50°.
8. Cible (40) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite coque comprend au moins une première portion à courbure variable dans un plan méridien contenant l’axe de révolution.
9. Cible (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le matériau de cible est du lithium et les particules nucléaires générées sont des neutrons.
10. Cible (30) selon la revendication 9, dans laquelle une épaisseur de la nappe de lithium induite par centrifugation est comprise entre 80 pm et 140 pm
11. Cible (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une enceinte (42) configurée pour créer au niveau de la zone d’impact un vide compatible avec la génération desdites particules nucléaires.
12. Système (10) de production de particules nucléaires comprenant :
une source (11) de particules adaptées pour produire, lors de l’interaction avec un matériau de cible, lesdites particules nucléaires,
un accélérateur de particules (13) configuré pour recevoir un faisceau de particules de ladite source et former un faisceau de particules accélérées,
une cible (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes configurée pour recevoir, au niveau du conduit d’arrivée, ledit faisceau de particules accélérées et générer, au niveau de la zone d’impact, lesdites particules nucléaires.
13. Système de production de particules nucléaires selon la revendication 12, dans lequel le matériau de base est du lithium, les particules nucléaires générées sont des neutrons et le système comprend en outre un modérateur de neutrons agencé autour de la cible.
14. Procédé de production de particules nucléaires au moyen d’un système (10) selon l’une quelconque des revendications 12 ou 13 comprenant :
la mise en rotation de ladite coque (34),
la mise en circulation du liquide par la mise en fonctionnement du dispositif de relevage ;
- admission d’un faisceau de particules accélérées (50) provenant dudit accélérateur de particules (13) dans ledit conduit d’arrivée (49).
15. Procédé de production de particules nucléaires selon la revendication 14, dans lequel l’axe de rotation de la coque est vertical.
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Families Citing this family (1)

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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3733490A (en) * 1971-01-08 1973-05-15 En Atomique Rotary target for electrostatic accelerator which operates as a neutron generator
US3993910A (en) * 1975-12-02 1976-11-23 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research & Development Administration Liquid lithium target as a high intensity, high energy neutron source
US5392319A (en) * 1992-12-22 1995-02-21 Eggers & Associates, Inc. Accelerator-based neutron irradiation
US5870447A (en) * 1996-12-30 1999-02-09 Brookhaven Science Associates Method and apparatus for generating low energy nuclear particles
CN104853515B (zh) * 2015-06-12 2017-07-04 中国科学院近代物理研究所 上旋式液态无窗中子散裂靶件的自由液面形成构件
CN109257864B (zh) * 2018-11-19 2024-07-02 中国科学院近代物理研究所 一种上旋式液态金属无窗散裂靶构件

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