Réflecteurs de neutrons lents utilisant des nanodiamants et graphite fluorés – NERF

Le progrès en neutronique est limité par la chute des flux de neutrons lents (NLs) disponibles. La clé pour l’utilisation des NLs réside dans le développement de réflecteurs efficaces. Une nouvelle classe de réflecteurs composés de nanodiamants (ND) purifiés en H, C sp2 et particules métalliques fournira une continuité de hautes réflectivités, en minimisant le gap existant actuellement. L’objectif scientifique du projet NERF en rupture technologique est de développer le premier réflecteur efficace pour les neutrons lents, définis comme possédant une longueur d’onde inférieure à 1 nm. Les NLs ne sont pas réfléchis par des milieux continus. Pour la constitution d’un réflecteur de neutrons lents (RNL), il n’y a pas actuellement d’alternative à la méthode développée dans ce projet. Il s’agit de mimer le fonctionnement conventionnel d’un réflecteur en remplaçant les atomes/noyaux par des nanoparticules de faibles absorptions neutroniques et donc de changer l’échelle de dimension de l’angström au nanomètre. L’objectif est d’améliorer l’état de l’art et de tendre vers le maximum théorique de réflectivité possible, comblant ainsi le gap entre 160 et 700 m/s. Pour des vélocités supérieures, le réflecteur conventionnel en graphite sera remplacé pour la première fois par un composé d’intercalation du graphite au fluor (F-GIC), soit ionique soit covalent. L’augmentation de la distance interfeuillet due à la présence des atomes de fluor permettra un gain de réflectivité pour des vélocités plus faibles en comparaison du graphite. Un déplacement de la borne à 500-600 m/s est attendu. Le gap de réflectivité sera alors totalement comblé en combinant NDs purifiés et F-GICs. Les caractéristiques requises d’un RNL idéal sont : C1 une réflectivité élevée dans un domaine étendu de vélocités, C2 une stabilité sous irradiation et C3 une faible activation sous flux neutronique. Des ND de diamètre moyen 4-5 nm, issus d’un procédé par détonation, sont les meilleurs réflecteurs connus (C1) ; ils sont disponibles en quantités industrielles et extrêmement stables sous flux de neutrons (C2). Outre l’hydrogène localisé dans une couche surfacique formée de carbones hydridés sp2 (aussi défavorables par leur forte absorption des neutrons, supérieure aux C diamant sp3), des particules métalliques peuvent être présentes ; elles seraient activées sous flux de neutrons et doivent être préalablement retirées pour respecter le critère C3. Nous proposons de traiter les NDs par chloration afin de former des chlorures volatiles à haute température (contrairement aux fluorures). Les NDs résultants seront fluorés pour éliminer l’hydrogène et les C sp2 en surface (deux absorbants de neutrons) et supprimer l’absorption d’eau par un caractère hydrophobe amené par le fluor (critère C1). Chloration et fluoration seront réalisées à l’IJL et à l’ICCF, respectivement. Il est aussi primordial de densifier les NDs (C1). Le procédé de frittage sous très haute pression (Spark Plasma Sintering jusqu’à 10 GPa) développé à l’ILM permet une densification rapide de poudres en conservant la taille des nanoparticules (4-5 nm) et en évitant la graphitisation des NDs. Les tâches de purification seront réalisées en gardant à l’esprit le futur changement d’échelle. Les poudres et compacts produits seront étudiés par des techniques de radiation synchrotron et neutrons. L’efficacité des NDs purifiés sera évaluée par réflexion quasi-spéculaire de NLs et estimée pour d’autres configurations et conditions expérimentales par des calculs de diffusion des neutrons. La validité des calculs sera vérifiée en comparant avec les données expérimentales de réflectivité. Une tâche regroupera toutes les caractérisations des NDs. NERF a pour objectif d’initier une nouvelle technologie de RNLs qui s’avère hautement désirée et accélérera à la fois l’instrumentation et les applications des neutrons.