FR2927761A1 - Generateur de neutrons a foyer de plasma et procedes de fabrication de ce generateur - Google Patents

Abstract

Générateur de neutrons à foyer de plasma et procédés de fabrication de ce générateur.Ce générateur comprend une source d'ions (15), apte à produire des ions à partir d'un gaz, et une cible (14), apte à produire les neutrons par interaction avec les ions. La source d'ions comprend un dispositif à foyer de plasma (4, 7) pour produire les ions à partir du gaz. Pour fabriquer ce générateur, on peut fabriquer le dispositif et lui ajouter la cible, ou fabriquer un tube neutronique dont la source d'ions est un tel dispositif.

Description

GENERATEUR DE NEUTRONS A FOYER DE PLASMA ET PROCEDES DE FABRICATION DE CE GENERATEUR

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un générateur de neutrons qui utilise la technique du foyer de plasma (en anglais, plasma focus). Les générateurs de neutrons servent notamment à faire de l'imagerie ou de l'analyse, par exemple en vue du contrôle non destructif d'objets. Les neutrons permettent de déterminer la présence de pratiquement tous les éléments de la classification périodique des éléments. On peut donc utiliser les générateurs de neutrons pour faire de l'analyse, du contrôle, du dosage ou de la recherche de matériaux (par exemple drogues, explosifs, déchets radioactifs, matériaux nucléaires, minerais, matières en vrac). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La technique du foyer de plasma est connue pour la production de neutrons par fusion nucléaire de l'hydrogène. Elle utilise les lois de l'électromagnétisme et une configuration bien particulière d'électrodes pour obtenir, dans une atmosphère gazeuse de deutérium ou de deutérium- tritium, un plasma suffisamment intense et un effet de pincement (en anglais, pinch) qui permettent l'obtention de températures suffisamment élevées pour que la fusion nucléaire du deutérium (ou du deutérium et du tritium) survienne. Une configuration matérielle permettant d'obtenir une décharge à foyer de plasma est schématiquement illustrée par la figure 1. Elle utilise une chambre d'expérience cylindrique 2 qui est électriquement conductrice. L'axe géométrique de la chambre a la référence X sur la figure. Selon la quantité d'énergie que l'on envisage d'utiliser, le diamètre intérieur D de cette chambre peut varier de quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres. On remplit la chambre 2 du gaz que l'on souhaite étudier ou utiliser. Pour la production de neutrons, il est commun d'utiliser du deutérium ou un mélange de deutérium et de tritium (à l'état gazeux). La pression du gaz est de l'ordre 102Pa. Dans la chambre 2, on prévoit une cathode 4 qui est constituée d'un cylindre métallique ou d'un cône métallique. Cette cathode 4 peut être reliée à la masse et à la chambre 2 comme le montre la figure 1, ou être électriquement distincte de la masse. Dans la chambre 2, on prévoit en outre une anode 6 qui est également cylindrique. L'axe X est commun à la chambre, à l'anode et à la cathode. Le diamètre d de l'anode est inférieur à celui de la cathode, de sorte que cette dernière entoure l'anode. Cette anode peut être creuse (en forme de tube). Elle est isolée de la masse et de la chambre 2 par un isolant 8, comme on le voit sur la figure 1. La chambre 2 est en outre pourvue d'une capacité C qui est chargée par une alimentation électrique continue P par l'intermédiaire d'une résistance de charge R. La tension de charge V peut varier de quelques kilovolts à plusieurs dizaines de kilovolts. La capacité est reliée à l'anode par l'intermédiaire d'un interrupteur I. Le principe de base de l'obtention d'une décharge plasma est schématiquement illustré par les figures 2A à 2D. Initialement, l'interrupteur est ouvert (figure 2A). Lorsque l'on ferme l'interrupteur I (figure 2B), la tension de charge V apparaît entre l'anode et la cathode. Une décharge 10 de type Paschen se produit alors entre ces dernières. Il est fait en sorte, par le montage géométrique, que cette décharge apparaisse en bas de l'anode et de la cathode. Les forces électromagnétiques (loi de Laplace) entraînent le déplacement de la décharge 10 vers le haut de l'anode 6 (figure 2C). En atteignant l'extrémité de l'anode, l'ensemble des courants qui forment la décharge et qui étaient auparavant radiaux s'assemblent pour former une décharge axiale 12 au dessus de l'anode 6 (figure 2D). C'est à ce moment que se produit l'effet de pincement axial (en anglais, Z-pinch) du plasma.

Cet effet est dû à la force de Laplace qui s'exerce radialement sur les charges électriques (ions et électrons) et ce, de manière centripète (tendance à ramener les charges vers le centre de l'éclair). Cette force compresse les charges et a donc pour effet d' augmenter la densité de courant. C'est pourquoi des températures très élevées sont obtenues.

Le lieu le plus chaud, où les phénomènes de fusion du deutérium sont observés, est situé au dessus de l'anode. Le nombre d'ions et d'électrons est aussi le plus élevé à cet endroit.

Les valeurs typiques pour les tensions vont de quelques kilovolts à plusieurs dizaines de kilovolts alors que le courant peut atteindre des valeurs de plusieurs ampères à plusieurs centaines de kiloampères. L'énergie des ions peut atteindre des kiloélectrons- volts ou plus selon l'énergie fournie au système, qui peut varier de quelques joules à plusieurs mégajoules dans les très gros systèmes. Les documents traitant de cette technique sont très nombreux et les dispositifs à foyer de plasma sont également étudiés dans beaucoup de laboratoires. On connaît aussi les tubes neutroniques (en anglais, neutron tubes). Ils permettent d'émettre des neutrons et sont en fait des accélérateurs de particules qui exploitent un principe de fusion de l'hydrogène. Ces tubes sont généralement constitués des parties suivantes . un système de gestion du gaz hydrogène (sous la forme de deutérium ou de tritium), une source d'ions permettant d'obtenir des ions à partir de ce gaz, une électrode accélératrice qui extrait des ions de cette source et les accélère de façon à leur transmettre de l'énergie, ces ions formant alors un faisceau énergétique, et une cible prévue pour être heurtée par le faisceau et constituée d'un matériau tel que le titane ou le zirconium par exemple, ce matériau étant apte à former un hydrure avec l'hydrogène, cet hydrure permettant d'obtenir une haute densité d'atomes d'hydrogène susceptibles d'être percutés par le faisceau ionique. Les tubes neutroniques peuvent être scellés ou non scellés. Les tubes scellés sont des tubes que l'on ferme définitivement après leur fabrication. Les tubes contenant du tritium sont toujours des tubes scellés, ce qui évite la dissémination du tritium radioactif. Les tubes non scellés peuvent fonctionner par exemple en association avec une pompe, qui va maintenir le vide a l'intérieur, et a une réserve de gaz (bouteille de deutérium par exemple) qui va permettre d'obtenir la pression desirée pour leur fonctionnement. Les sources d'ions des tubes neutroniques peuvent utiliser diverses techniques. L'une des sources les plus répandues est la source d'ions de type Penning qui permet l'obtention de décharges plasma à des niveaux de pression assez faibles (de 10-3 Pa à 1Pa), à partir d'une structure associant un champ magnétique (créé par des aimants permanents) à un champ électrique assez faible (ensemble cathode-anode avec une tension de quelques kilovolts). On utilise également d'autres sources d'ions, à savoir les sources à radiofréquence, ou sources RF, qui sont des sources intenses mais doivent fonctionner à plus haute pression, ce qui constitue une gène pour le transport du faisceau : les interactions faisceau-gaz sont nombreuses et peuvent altérer le fonctionnement du tube. La performance de la source d'ions, qui s'exprime en nombre d'ions créés et disponibles pour être accélérés, est vitale pour la performance du tube. Typiquement, les tubes à sources d'ions Penning permettent d'obtenir des tubes qui fonctionnent avec des courants de l'ordre de 100 A à quelques milliampères ; et les sources RF permettent d'obtenir des faisceaux de l'ordre de quelques milliampères ou quelques dizaines de milliampères. Avec des tensions d'accélération de l'ordre d'une centaine de kilovolts, l'émission neutronique obtenue varie typiquement entre 106 et 101° neutrons/s, lorsque l'on n'utilise que du deutérium, et sont de l'ordre de 100 fois plus (108-1012 neutrons/s) avec un mélange deutérium-tritium, du fait de la plus grande section efficace de la réaction DT (deutérium-tritium) par rapport à la réaction DD (deutérium-deutérium).

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention propose un générateur de neutrons, capable de produire des émissions neutroniques très intenses, mais plus simplement que les tubes neutroniques connus, mentionnés plus haut. Pour ce faire, le générateur de neutrons, objet de l'invention, comporte une source d'ions qui met en oeuvre la technique du foyer de plasma. L'objet de la présente invention n'est pas d'utiliser cette technique du foyer de plasma pour obtenir des neutrons par fusion mais de l'utiliser pour obtenir un grand nombre d'ions qui vont ensuite pouvoir être accélérés ou, plus généralement, envoyés vers une cible contenant de l'hydrogène sous la forme de ses isotopes deutérium ou tritium ou des deux. L'interaction des ions avec ces noyaux d'hydrogène au sein de la cible va permettre d'obtenir, cette fois, la fusion nucléaire qui va libérer des neutrons. De façon précise, la présente invention concerne un générateur de neutrons comprenant : une source d'ions, apte à produire des ions à partir d'un gaz, et une cible, apte à produire les neutrons par interaction avec les ions, ce générateur étant caractérisé en ce que la source d'ions comprend un dispositif à foyer de plasma pour produire les ions à partir du gaz. De préférence, la cible contient du deutérium ou du tritium ou un mélange de deutérium et de tritium. Dans ce cas, la cible comprend de préférence un dépôt d'un métal qui est apte à former un hydrure avec du deutérium ou du tritium ou un mélange de deutérium et de tritium.

Le gaz comprend de préférence du deutérium ou du tritium ou un mélange de deutérium et de tritium. La cible peut être disposée à proximité d'une zone où a lieu un pincement du plasma. Le générateur de neutrons, objet de l'invention, peut comprendre en outre des moyens d'accélération des ions produits vers la cible.

Ces moyens d'accélération des ions comprennent de préférence des moyens de polarisation de la cible par une tension qui est apte à attirer les ions vers la cible.

De préférence, le générateur de neutrons, objet de l'invention comprend en outre des moyens pour commuter la tension après l'établissement d'une décharge du plasma. La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication du générateur de neutrons, objet de l'invention, dans lequel on fabrique le dispositif à foyer de plasma et l'on ajoute la cible à ce dispositif. La présente invention concerne en outre un procédé de fabrication du générateur de neutrons, objet de l'invention, dans lequel on fabrique un tube neutronique comprenant la cible et le dispositif à foyer de plasma en tant que source d'ions.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un dispositif à foyer de plasma connu, et a déjà été décrite, - les figures 2A à 2D illustrent schématiquement le fonctionnement de ce dispositif et ont déjà été décrites, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un mode de réalisation particulier du générateur de neutrons à foyer de plasma, objet de l'invention, dont la cible ne comporte pas de polarisation supplémentaire, - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un mode de réalisation particulier du générateur de neutrons à foyer de plasma, objet de l'invention, dont la cible comporte une polarisation supplémentaire, et - la figure 5 illustre schématiquement et partiellement une variante du générateur de neutrons de la figure 4.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La présente invention consiste en une nouvelle conception de tube neutronique permettant d'obtenir des émissions neutroniques très intenses (supérieures à 101° neutrons par coup), à partir des ions créés par une technique de type foyer de plasma. Le plasma obtenu lors de la décharge est riche d'ions qui servent de projectiles dans un second temps ; et ces projectiles sont accélérés ou non vers la cible du tube.

Plusieurs configurations géométriques sont possibles. On distingue les deux cas mentionnés ci-après. Dans le premier cas, il n'y a pas de polarisation supplémentaire de la cible. Cette cible est positionnée à proximité du lieu où le pincement du plasma va se produire, et elle est bombardée par les ions énergétiques. Dans le deuxième cas, on prévoit une polarisation supplémentaire de la cible : pour accroître l'efficacité de la production de neutrons, les ions créés par le plasma, qui sont déjà énergétiques, sont accélérés par un champ électrique. Un premier exemple du générateur de neutrons, objet de l'invention, est schématiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 3. Il s'agit d'un tube neutronique correspondant au premier cas. Ce tube neutronique est constitué comme le dispositif de la figure 1 et comprend donc encore la chambre 2, constituant une enceinte étanche, la cathode 4 et une anode qui pourrait être l'anode cylindrique 6 de la figure 1 mais cette dernière a été remplacée par une anode tubulaire 7 dans l'exemple de la figure 3. L'axe X est encore l'axe géométrique de cette anode 7, cette dernière est encore isolée électriquement de la chambre par l'isolant cylindrique 8 et la base 7a du tube métallique constituant l'anode 7 est fermée pour maintenir l'étanchéité, comme on le voit sur la figure 3. La tension de charge fournie par le condensateur C est appliquée à l'anode 7 par l'intermédiaire de sa base 7a lorsque l'interrupteur I est fermé. L'enceinte étanche, constituée par la chambre 2, peut être remplie de tritium qui sert alors de gaz pour produire les ions. On peut éventuellement lui ajouter du deutérium.

Le gaz peut aussi être seulement du deutérium. Dans ce cas, on peut prévoir une pompe (non représentée), pour faire le vide à l'intérieur de la chambre et relier celle-ci à une source de deutérium gazeux (non représentée) pour obtenir la pression désirée pour le fonctionnement du générateur de neutrons. Ce dernier est en outre pourvu d'une cible 14 qui est placée dans la chambre 2, en regard de l'anode 7, comme on le voit. Cette cible produit les neutrons lorsqu'elle reçoit les ions engendrés lors du fonctionnement de la source d'ions 15 constituée par le dispositif à foyer de plasma (cathode 4, anode 7 et moyens pour appliquer la tension de charge à cette anode). Les neutrons sont émis à travers la paroi de la chambre dont l'épaisseur est suffisamment mince pour les laisser passer. La cible 14 est en fait constituée par un dépôt d'un métal hydrurable (titane, vanadium ou zirconium par exemple) sur les parois de la chambre, comme on le voit. L'épaisseur du dépôt peut être de plusieurs micromètres ou plusieurs dizaines de micromètres. Le métal utilisé forme un hydrure avec le deutérium ou le tritium ou le mélange de deutérium et de tritium qui est présent dans la chambre. L'intérêt d'une telle cible est d'obtenir une forte densité d'hydrogène dans le matériau de la cible, de façon à rendre le plus probable possible la rencontre des ions du plasma et des noyaux de deutérium ou/et de tritium inclus dans la cible, pour augmenter l'émission neutronique.

La forme de la cible 14 permet de couvrir un grand angle solide et donc de collecter le plus d'ions possible. Cette cible pourrait aussi être limitée à la zone axiale de la chambre, c'est-à-dire être formée uniquement dans une zone de faible taille au niveau du point d'intersection de l'axe X et de la paroi de la chambre. Un deuxième exemple du générateur de neutrons, objet de l'invention, est schématiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 4. Il s'agit d'un tube neutronique correspondant au deuxième cas mentionné plus haut. Il est identique au tube neutronique de la figure 3, excepté que la cible 14 de la figure 4 est munie d'un système de polarisation 18 et électriquement isolée de la chambre 2. Pour ce faire, on peut utiliser une chambre 2 dont la paroi latérale 20 est électriquement isolante et dont la paroi inférieure, portant l'anode et la cathode, et la paroi supérieure, pourvue de la cible sur sa face interne, sont électriquement conductrices. Le système de polarisation de la cible est prévu pour porter le potentiel de cette dernière à une tension négative ûVc pour attirer les ions positifs créés par la décharge plasma 22. La valeur de Vc peut aller de quelques kilovolts à quelques dizaines de kilovolts. Cette valeur et la géométrie du tube neutronique de la figure 4 sont telles que l'amorçage et le développement du foyer plasma ne sont pas affectés : il ne doit pas y avoir de décharge parasite entre la cible et l'anode ou la cathode du dispositif à foyer de plasma. Cette contrainte se traduit notamment par une limitation de la valeur de Vc. Cette contrainte est contournable en contrôlant le temps d'établissement de la tension -Vc (figure 5) un système adéquat 24, commandé par l'interrupteur I, est alors prévu pour commuter la tension -Vc après l'établissement de la décharge plasma. Ceci nécessite un système de commutation assez sophistiqué pour respecter les caractéristiques temporelles du plasma : Vc doit être nulle ou faible pendant les quelques 100 ou 200 nanosecondes de développement de la décharge puis être à sa valeur nominale, par exemple 100kV, à partir d'un temps égale à 250ns. Les valeurs de temps ne sont données qu'à titre indicatif et dépendent de la géométrie et des caractéristiques électriques du montage. Pour fabriquer un générateur de neutrons conforme à l'invention, on peut ajouter une cible deutérée ou tritiée dans un système à foyer de plasma ; on peut aussi concevoir un tube neutronique comportant une source d'ions de type foyer de plasma.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Générateur de neutrons comprenant : - une source d'ions (15), apte à produire des ions à partir d'un gaz, et une cible (14), apte à produire les neutrons par interaction avec les ions, ce générateur étant caractérisé en ce que la source d'ions comprend un dispositif à foyer de plasma (4, 7) pour produire les ions à partir du gaz.

2. Générateur de neutrons selon la revendication 1, dans lequel la cible (14) contient du deutérium ou du tritium ou un mélange de deutérium et de tritium.

3. Générateur de neutrons selon la revendication 2, dans lequel la cible (14) comprend un dépôt d'un métal qui est apte à former un hydrure avec du deutérium ou du tritium ou un mélange de deutérium et de tritium.

4. Générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le gaz comprend du deutérium ou du tritium ou un mélange de deutérium et de tritium.

5. Générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la cible (14) est disposée à proximité d'une zone où a lieu un pincement du plasma.

6. Générateur de neutrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre des moyens (18) d'accélération des ions produits vers la cible.

7. Générateur de neutrons selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'accélération des ions comprennent des moyens (18) de polarisation de la cible par une tension qui est apte à attirer les ions vers la cible.

8. Générateur de neutrons selon la revendication 7, comprenant en outre des moyens (24) pour commuter la tension après l'établissement d'une décharge du plasma.

9. Procédé de fabrication du générateur de neutrons selon la revendication 1, dans lequel on fabrique le dispositif à foyer de plasma (4, 7) et l'on ajoute la cible (14) à ce dispositif.

10. Procédé de fabrication du générateur de neutrons selon la revendication 1, dans lequel on fabrique un tube neutronique comprenant la cible (14) et le dispositif à foyer de plasma (4, 7) en tant que source d'ions.20