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GANIL : un nouvel accélérateur d'atomes en Normandie, le SPIRAL 2

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En juin 2019, l’Autorité de sûreté nucléaire autorise la mise en service de l’installation SPIRAL 2 au GANIL à Caen : un nouvel accélérateur très intense unique au monde. Après deux années de tests, les premières expériences sont lancées. 

« C’est vraiment incroyable ! Les premiers retours d’expérience ne tarderont pas à se faire connaître dans la communauté scientifique internationale. »

Navin Alahari, directeur du GANIL, Grand Accélérateur National d’Ions Lourds à Caen

Navin Alahari, directeur du GANIL

Après deux années de tests, SPIRAL 2, système de production d’ions radioactifs accélérés en ligne de seconde génération, entre en service. Les premières expériences ont démarré en septembre. Des équipes normandes, parisiennes, suédoises et tchèques se sont succédées sans discontinuer. Et ce n’est qu’un début. Car le projet SPIRAL 2 va encore se déployer dans les années à venir. 

Un projet normand porté par des partenaires locaux et internationaux

Le projet SPIRAL2 a été possible grâce à la participation de l'Europe, de l'Etat, du CNRS, du CEA, de la Région Normandie, du département du Calvados, de l'agglomération Caen la mer, de la ville de Caen. Au total 23 pays ont collaboré au projet : Allemagne, Belgique, Bulgarie, Espagne, Finlande, Grèce, Hongrie, Italie, Pologne, République Tchèque, Roumanie, Royaume-Uni, Russie, Suède, Suisse, Chine, Corée du Sud, Inde, Israël, Japon, Turquie, Canada et Etats-Unis. 

 

Accélérer au tiers de la vitesse de la lumière

Le GANIL a été créé en 1976 par le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) et le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Là, depuis près de 40 ans, des physiciens cassent des ions accélérés pour obtenir de nouveaux atomes et percer les secrets de la matière à l’échelle du noyau de l’atome.

Le saviez-vous ?

Depuis sa mise en service en 1983, le GANIL a permis de découvrir plus de 100 noyaux jusqu'alors jamais observés ! Avec SPIRAL2 de nouveaux noyaux vont pouvoir être produits suite à des collisions provoquées dans l'accélérateur. 

Site du GANIL à Caen

Ces évolutions, dont SPIRAL 2 constitue une étape majeure, ont permis au GANIL de devenir l’un des cinq plus grands laboratoires au monde pour la recherche avec des faisceaux d’ions. Son principe de fonctionnement est néanmoins resté le même : créer des ions chargés électriquement en arrachant des électrons à des atomes neutres. Les noyaux de ces atomes vont ainsi, en passant dans des champs électriques et magnétiques de l’accélérateur, atteindre des vitesses se rapprochant du tiers de celle de la lumière avant de percuter les noyaux des atomes d’une cible. 

Chercher des noyaux "exotiques"

Héloïse Goutte, directrice adjointe du GANIL

Ces collisions à très haute énergie permettent d’induire des réactions nucléaires donnant naissance à des noyaux dits « exotiques », parce qu’ils ne font pas partie des 291 isotopes stables que l’on trouve à l’état naturel sur Terre. Plus d’une centaine de ces noyaux ont déjà été synthétisés et étudiés au GANIL. « La mise en service de SPIRAL 2 va permettre la production de noyaux très rares, ouvrant la voie à l’étude de structures encore inconnues », explique Héloïse Goutte, directrice adjointe du GANIL. 

Le saviez-vous ?

La densité du noyau est telle qu'un noyau de la taille d'un dé à coudre aurait une masse de 200 millions de tonnes ! 

Le RFQ (Radio Frequence Quadrupole) de l’accélérateur linéaire SPIRAL2 permet de mettre le faisceau en paquet et de le pré-accélérer avant son injection dans les cavités accélératrices supraconductrices. ©GANIL / R. FERDINAND

« Du point de vue fondamental, SPIRAL 2 va nous aider à mieux comprendre la structure et le comportement des noyaux atomiques dans des conditions extrêmes. »

Manuel Caamano, professeur en physique nucléaire de l’université de Saint-Jacques de Compostelle en Espagne, accueilli au GANIL en novembre 2021

Avec à peine un mois d’arrêt dû au Covid-19, la phase 1 de SPIRAL 2 est bien avancée. « Au cœur des installations, l’accélérateur linéaire LINAC, enterré à neuf mètres sous terre sur cent mètres de long, est constitué d’un enchaînement de 19 cryomodules, contenant des cavités supraconductrices fonctionnant à -270 °C, détaille Xavier Ledoux, coordinateur de la salle NFS. L’ensemble est capable d’accélérer des particules plus légères (protons, deutons, alpha) que les cyclotrons du GANIL et des ions lourds à des intensités jusqu’à plusieurs centaines de fois plus importantes que celles disponibles aujourd’hui. Ces faisceaux sont acheminés, en fonction de leur nature, vers deux nouvelles salles d’expérience. »

Des applications dans le nucléaire et la médecine

« Les résultats de ces expériences seront utilisés pour des applications aussi variées que la conception des futurs réacteurs nucléaires, le traitement des déchets radioactifs ou la médecine nucléaire. »

Xavier Ledoux, coordinateur de la salle NFS

Le saviez-vous ?

Les rayons utilisés en thérapies ou pour les scanners ne sont pas d'origine radioactive mais sont produits par de petits accélérateurs de particules.

La découverte de la radioactivité artificielle en 1934 a permis de créer à volonté des isotopes radioactifs de tous les éléments. Elle a révolutionné la biologie et la médecine. 

En savoir +

Salle du convertisseur de NFS (Neutrons for Science, installation SPIRAL2, GANIL) : création et mise en faisceaux des neutrons utilisés pour des expériences de physique nucléaire et des recherches appliquées. ©GANIL

La salle NFS (Neutrons For Science) exploite les flux de neutrons intenses créés par l’interaction des protons ou des deutons sur des cibles. Elle a accueilli ses premières expériences en septembre 2021. « Entièrement modulable, elle permet l’installation de détecteurs et de capteurs de différents formats pour mesurer des paramètres nucléaires de base après impact des neutrons sur une cible" complète Xavier Ledoux. 

Chercheur au CEA en région parisienne, Vincent Méot a bénéficié en novembre dernier d’un « temps de faisceau » d’une dizaine de jours dans la toute nouvelle salle NFS. Il est venu avec son équipe tester le détecteur de neutrons qu’ils ont mis au point. « Un engin de plus d’une tonne ! », précise le chercheur. L’expérimentation est prometteuse. « Nous allons analyser nos données et soumettre au comité international du GANIL un nouveau projet d’ici l’été ».

L’ensemble des installations qui composent Spiral 2 est entouré de protections, en béton et en plomb. Les salles où le faisceau circule sont enterrées à 10 mètres de profondeur. Le site relève du régime des installations nucléaires de base (INB) et est, à ce titre, contrôlé par l’Autorité de sûreté nucléaire (ASN). ©CEA / P.STROPPA

La seconde salle d’expérience S3 (Super séparateur spectromètre) n’entrera en service qu’en 2024 (en vert sur le schéma) : elle utilisera les faisceaux d’ions lourds pour étudier les noyaux exotiques produits dans des réactions de fusion nucléaire. « C’est là que seront testés les limites d’existence du noyau, en créant des isotopes supers lourds », annonce Héloïse Goutte. L’aventure scientifique avec SPIRAL2 a commencé. Elle promet de très belles découvertes.

Lexique

Les mots de l'article

Accélérateur de particules : instrument qui utilise des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées (au GANIL, on accélére les Ions). En les faisant entrer en collision, on peut étudier les particules élémentaires (ce qui constitue la matière qui nous entoure) générées au cours de cette collision. 

 

Atome : l’atome est le constituant de base de la matière. Dans le noyau de l’atome se trouvent les protons (chargés positivement) et les neutrons (non chargés), tandis que les électrons (chargés négativement) sont localisés autour du noyau.

 

Cryomodule : section d'un accélérateur de particules moderne composé de cavités d'accélération RF supraconductrices, qui nécessitent des températures de fonctionnement très basses

 

Cyclotron : accélérateur circulaire de particules lourdes.

 

Faisceau : lorsqu’on classe les noyaux connus des atomes en fonction de leur nombre de protons et de neutrons, on obtient un ensemble de données en forme de faisceau. 

Ion : espèce chimique chargée électriquement, un atome ou une molécule ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

 

Isotopes : atomes possédant le même numéro atomique (même nombre de protons) mais de masse atomique différente (nombre différent de neutrons).

 

Noyau : la forme d’un noyau correspond à la zone dans laquelle ses constituants élémentaires peuvent se trouver. Ces constituants élémentaires sont les protons et les neutrons, qu’on nomme ensemble les nucléons. 300 noyaux d'atomes stables existent à l'état naturel, on en a produit plus de 2 800 en laboratoires et plus de 5 000 restent à découvrir (noyaux "exotiques").

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