Brevet FR3031228A1 — publié le 20160701

PROCEDE DE FABRICATION D'UN REFLECTEUR DE NEUTRONS ET REFLECTEUR DE NEUTRONS OBTENU PAR UN TEL PROCEDE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un réflecteur de neutrons et un réflecteur de neutrons obtenu par un tel procédé. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Différents matériaux sont adaptés pour réfléchir des neutrons selon la vitesse desdits neutrons. Pour des neutrons ayant une vitesse comprise entre 10 et 160 m/s, des publications en mis en évidence les propriétés réfléchissantes des nanodiamants [1]-[3]. De tels nanodiamants présentent une taille comprise entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres. Ces nanodiamants sont typiquement, mais non exclusivement, obtenus par détonation d'un mélange d'explosifs et de graphite dans une atmosphère pauvre en oxygène. Ces nanodiamants présentent un coeur constitué d'atomes de carbone et d'une enveloppe superficielle comprenant diverses impuretés, dont des atomes d'hydrogène. Pour former un réflecteur de neutrons, on emprisonne une couche de nanodiamants dans une enveloppe de maintien. Or, on attribue aux atomes d'hydrogène, présents dans l'enveloppe superficielle et/ou dans de l'eau présente à la surface des nanodiamants, une perte d'efficacité de la réflexion. En effet, les atomes d'hydrogène provoquent une diffusion inélastique des neutrons (« up-scattering » selon la terminologie anglo-saxonne) de sorte que lesdits neutrons traversent la couche de nanodiamants au lieu de se réfléchir sur les particules [1]. Les atomes d'hydrogène sont également responsables d'une absorption nucléaire des neutrons. Une solution serait de refroidir les nanodiamants à une température très basse de sorte à minimiser le phénomène de diffusion inélastique des neutrons sur les atomes d'hydrogène. Cependant, une telle solution rend plus complexe la mise en oeuvre du réflecteur de neutrons. Par ailleurs, elle ne permet pas de remédier au phénomène d'absorption nucléaire. Une autre solution serait de remplacer l'hydrogène par du deutérium, celui-ci ne nuisant pas aux propriétés réfléchissantes des nanodiamants. Ceci supposerait de fabriquer les nanodiamants à partir d'explosifs ou d'autres précurseurs contenant du 3031228 2 deutérium. Cependant, un tel procédé de fabrication n'existe pas actuellement à l'échelle industrielle et se révélerait très onéreux. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION 5 Un but de l'invention est d'améliorer la réflexion des neutrons dans une large gamme de vitesse. Un autre but de l'invention est de concevoir un procédé de fabrication d'un réflecteur de neutrons qui soit facile à mettre en oeuvre industriellement et qui soit peu onéreux. Conformément à l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un réflecteur 10 de neutrons comprenant : - l'obtention d'une poudre de nanodiamants, lesdits nanodiamants présentant une surface saturée en fluor, - la formation d'une paroi du réflecteur en encapsulant une couche desdits nanodiamants dans une enveloppe. 15 Selon un mode de réalisation, lesdits nanodiamants sont obtenus par détonation d'un mélange d'explosifs et de graphite puis substitution, à la surface desdits nanodiamants, d'au moins une partie des atomes d'hydrogène par des atomes de fluor. De manière alternative, lesdits nanodiamants sont obtenus par un procédé laser puis substitution, à la surface desdits nanodiamants, d'au moins une partie des atomes 20 d'hydrogène par des atomes de fluor. De manière avantageuse, la substitution des atomes d'hydrogène par les atomes de fluor est obtenue par la réaction des nanodiamants avec du gaz fluor. Ladite réaction est avantageusement mise en oeuvre à une température comprise entre 300 et 600°C. 25 Un autre objet concerne un réflecteur de neutrons obtenu par le procédé décrit plus haut. Ledit réflecteur comprend une paroi formée d'une couche de poudre de nanodiamants dans une enveloppe, lesdits nanodiamants présentant une surface saturée en fluor. De manière préférée, l'enveloppe comprend une feuille et/ou une plaque de 30 polytétrafluoroéthylène (PTFE), d'aluminium ou de béryllium. De manière avantageuse, sur la face intérieure du réflecteur, destinée à être exposée aux neutons, l'enveloppe présente une épaisseur comprise entre 5 et 30 pm. Par ailleurs, l'épaisseur de la couche de nanodiamants est typiquement comprise entre 1 et 1000 mm. 35 L'invention concerne également un guide de neutrons comprenant un réflecteur tel que décrit ci-dessus. L'invention concerne également un piège à neutrons comprenant un réflecteur tel que décrit ci-dessus. 3031228 3 Enfin, l'invention concerne aussi un ensemble comprenant une source de neutrons et un réflecteur tel que décrit ci-dessus entourant ladite source. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'une installation comprenant un piège à neutrons, - la figure 2 est une vue en coupe de la paroi du piège à neutrons, 10 la figure 3 est une vue en coupe du couvercle du piège à neutrons, - la figure 4 est un schéma de principe d'un ensemble d'une source de neutrons et d'un réflecteur de neutrons. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 L'invention s'applique à la réflexion des neutrons dans une gamme de vitesse comprise entre 10 et 300 m/s. Les nanodiamants utilisés dans la présente invention sont généralement obtenus, de manière conventionnelle, par détonation d'un mélange d'explosifs et de graphite dans une atmosphère pauvre en oxygène, ou par un procédé laser. On pourra se référer aux 20 articles [4, 5] qui décrivent respectivement chacun de ces procédés. Lesdits nanodiamants se présentent sous la forme d'une poudre dont la taille est comprise entre quelques nanomètres et quelques dizaines de nanomètres. On applique auxdits nanodiamants un procédé de fluorination. A cet effet, on expose la poudre à du gaz fluor, à haute température (typiquement 25 entre 300 et 600°C), sous une pression d'environ 1 bar. Le document [6] décrit un exemple de mise en oeuvre d'un tel procédé de fluorination des nanodiamants. On notera que dans ce document le procédé de fluorination est une étape intermédiaire d'un procédé de fonctionnalisation des nanodiamants, les atomes de fluor étant destinés à être ultérieurement substitués par des 30 groupements fonctionnels. Au contraire, la présente invention met en oeuvre des nanodiamants résultant de préférence directement de la fluorination. Le procédé de fluorination permet de substituer les atomes d'hydrogène par des atomes de fluor à la surface sans affecter la composition du coeur des nanodiamants. Par ailleurs, les atomes de fluor ne détériorent pas les propriétés réfléchissantes des 35 nanodiamants. Au contraire, le potentiel optique du fluor étant légèrement positif tandis que celui de l'hydrogène est légèrement négatif, la réflectivité des nanodiamants fluorines se trouve légèrement améliorée. 3031228 4 D'autre part, la fluorination permet de supprimer les groupements hydrophiles à la surface des nanodiamants. Ceci diminue par conséquent la présence d'eau à la surface des nanodiamants. Un autre avantage de la fluorination est qu'elle diminue la concentration d'impuretés 5 métalliques présentes à la surface des nanodiamants. Or, ces impuretés sont néfastes dans la mesure où, lorsqu'elles sont irradiées par des neutrons, elles deviennent modérément radioactives et nécessitent donc un retraitement spécial. A l'issue de l'étape de fluorination, la surface des nanodiamants est saturée en fluor. L'estimation de la teneur en fluor peut être réalisée par exemple par spectroscopie EDX 10 (acronyme du terme anglo-saxon « Energy Dispersive X-ray »). Par ailleurs, les nanodiamants présentent une teneur en atomes d'hydrogène à la surface qui est au moins 50 fois inférieure à la teneur initiale. L'estimation de la teneur en hydrogène peut être réalisée selon la méthode décrite dans [7]. 15 La fluorination ne permet pas de supprimer les atomes d'hydrogène présents dans le coeur des nanodiamants, mais dans la mesure où ces atomes y sont présents en petite quantité, ils ne nuisent pas aux propriétés réfléchissantes. Enfin, les nanodiamants fluorinés présentent une faible teneur résiduelle en impuretés métalliques, de telle sorte que même si ces impuretés résiduelles sont 20 irradiées, la radioactivité résultante est suffisamment faible pour ne pas nécessiter de retraitement spécifique. Pour fabriquer un réflecteur de neutrons, on utilise les nanodiamants fluorinés décrits ci-dessus, de sorte à former une couche contenue dans une enveloppe. L'épaisseur de la couche de nanodiamants est aussi grande que possible pour 25 améliorer la réflectivité, la couche devant être d'autant plus épaisse que la vitesse des neutrons est grande. De manière avantageuse, en fonction de la vitesse des neutrons, ladite épaisseur est comprise entre 1 et 1000 mm. L'enveloppe présente une rigidité mécanique suffisante pour donner au réflecteur la 30 forme souhaitée. L'enveloppe est réalisée en un matériau n'absorbant pas les neutrons, tel que le polytétrafluoroéthylène (PTFE), l'aluminium ou le béryllium. L'épaisseur de l'enveloppe est de préférence la plus fine possible tout en présentant une stabilité mécanique adaptée. Typiquement, l'enveloppe présente une épaisseur comprise entre 5 et 30 pm. 35 Une application de l'invention concerne un piège à neutrons comprenant un réflecteur tel que décrit ci-dessus. 3031228 5 La figure 1 est un schéma de principe d'une installation comprenant un tel piège à neutrons. Une installation similaire, dans laquelle les nanodiamants ne sont pas fluorinés, est décrite dans [2]. Le piège se présente typiquement sous la forme d'une cavité délimitée par une paroi 5 pourvue d'une ouverture 10 au travers de laquelle les neutrons sont introduits dans le piège. L'ouverture présente une surface de quelques cm2. Par exemple, le piège présente une forme cylindrique et l'ouverture est agencée dans la paroi circonférentielle du piège. Les parois du piège sont formées du réflecteur de neutrons décrit plus haut. Ainsi, comme illustré sur la figure 2 qui présente une vue en coupe de la paroi 11, chaque paroi 10 comprend une couche 11c de nanodiamants fluorines contenue dans une enveloppe 11a, 11 b définissant la forme du piège. Sur la face extérieure du piège, l'enveloppe 11a comprend par exemple une plaque d'aluminium présentant une épaisseur de l'ordre de 1 mm, cette plaque remplissant essentiellement une fonction de support mécanique. 15 Sur la face intérieure du piège, l'enveloppe 11b comprend par exemple une feuille d'aluminium présentant une épaisseur de l'ordre de 5 à 30 pm. L'épaisseur de la couche 11c de nanodiamants fluorinés est comprise entre 1 et 1000 cm selon la vitesse des neutrons. Le piège 1 comprend en outre un couvercle 12, comprenant également un réflecteur 20 tel que décrit plus haut. Comme illustré sur la figure 3, le couvercle 12 comprend une couche 12c de nanodiamants fluorinés contenue dans une enveloppe 12a, 12b définissant la forme du piège. Sur la face extérieure du couvercle, l'enveloppe 12a comprend par exemple une plaque d'aluminium présentant une épaisseur de l'ordre de 1 mm. 25 Sur la face intérieure du couvercle, l'enveloppe 12b comprend par exemple une feuille d'aluminium présentant une épaisseur de l'ordre de 5 à 30 pm. L'épaisseur de la couche 12c de nanodiamants fluorinés est comprise entre 1 et 1000 cm selon la vitesse des neutrons. Le couvercle 12 présente une fenêtre 120 en aluminium au travers de laquelle les 30 neutrons peuvent sortir du piège 1. Revenant à la figure 1, le piège 1 est agencé dans une enceinte à vide 2. L'enceinte comprend, en regard de la fenêtre 10, une fenêtre 20 en quartz au travers de laquelle les neutrons peuvent pénétrer dans l'enceinte 2. Une source de neutrons (non représentée) émet un faisceau 3 de neutrons 35 présentant un diamètre de l'ordre de 1 cm en direction de la fenêtre 20 et de l'ouverture 10. 3031228 6 Sur le trajet du faisceau 3, l'installation comprend un sélecteur de vitesse 4 et une valve 5. Ces dispositifs sont connus en tant que tels et ne seront donc pas décrits en détail. Les neutrons introduits dans le piège 1 subissent de multiples réflexions par les 5 nanodiamants contenus dans les parois du piège et du couvercle. La teneur résiduelle en atomes d'hydrogène à la surface des nanodiamants procure une réfiectivité bien supérieure à celle des pièges connus. En regard de la fenêtre 120 du couvercle du piège, l'installation comprend un détecteur 6 permettant de compter le nombre de neutrons. 10 Une autre application de l'invention concerne un guide de neutrons comprenant un réflecteur tel que décrit ci-dessus. Une autre application de l'invention, illustrée de manière schématique sur la figure 4, concerne un ensemble formé d'une source 7 de neutrons entourée d'un réflecteur 8 tel que décrit ci-dessus. La paroi 11 du réflecteur étant similaire à celle du piège 1 décrit en 15 référence à la figure 1, elle n'est pas décrite à nouveau ici. Le réflecteur 8 comprend une fenêtre 110 par exemple en aluminium pour permettre la sortie des neutrons. Naturellement, la source et le piège associé peuvent prendre différentes formes selon la vitesse des neutrons émis. 20 REFERENCES [1] The reflection of very cold neutrons from diamond powder nanoparticles, V.V. Nesvizhevsky et al, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A595 (2008) 631-636 [2] Storage of very cold neutrons in a trap with nano-structured walis, E.V. 25 Lychagin et al, Physics Letters B 679 (2009) 186-190 [3] Application of Diamond Nanoparticles in Low-Energy Neutron Physics, V.V. Nesvizhevsky et al, Materials 2010, 3, 1768-1781 [4] Diamonds in detonation soot, N. Roy Greiner et al, Nature, Vol. 333, June 1988, pp. 440-442 30 [5] Structure of Nanodiamonds Prepared by Laser Synthesis, M. V. Baidakova et al, Physics of the Soiid State, 2013, Vol. 55, No. 8, pp. 1747-1753 [6] US 2005/0158549 [7] Study of Bound Hydrogen in Powders of Diamond Nanoparticles, A. R. Krylov et al, ISSN 1063-7745, Crystallography Reports, 2011, Vol. 56, No. 7, pp. 102- 35 107 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un réflecteur de neutrons comprenant : - l'obtention d'une poudre de nanodiamants, lesdits nanodiamants présentant une surface saturée en fluor, - la formation d'une paroi (11, 12) du réflecteur en encapsulant une couche (11c, 12c) desdits nanodiamants dans une enveloppe (11 a, 11 b ; 12a, 12b). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les nanodiamants sont obtenus par détonation d'un mélange d'explosifs et de graphite puis substitution, à la surface desdits nanodiamants, d'au moins une partie des atomes d'hydrogène par des atomes de fluor. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les nanodiamants sont obtenus par un procédé laser puis substitution, à la surface desdits nanodiamants, d'au moins une partie des atomes d'hydrogène par des atomes de fluor. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel la substitution des atomes d'hydrogène par les atomes de fluor est obtenue par la réaction des nanodiamants avec du gaz fluor. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la réaction est mise en oeuvre à une température comprise entre 300 et 600°C. 6. Réflecteur de neutrons comprenant une paroi (11, 12) formée d'une couche (11c, 12c) de poudre de nanodiamants dans une enveloppe (11a, 11b ; 12a, 12b), lesdits nanodiamants présentant une surface saturée en fluor. 7. Réflecteur selon la revendication 6, dans lequel l'enveloppe comprend une feuille et/ou une plaque de polytétrafluoroéthylène (PTFE), d'aluminium ou de béryllium. 8. Réflecteur selon la revendication 7, dans lequel, sur la face intérieure du réflecteur, l'enveloppe présente une épaisseur comprise entre 5 et 30 pm. 9. Réflecteur selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel l'épaisseur de la couche (11c, 12c) de nanodiamants est comprise entre 1 et 1000 mm. 3031228 8 10. Guide de neutrons comprenant un réflecteur selon l'une des revendications 6 à 9. 11. Piège à neutrons comprenant un réflecteur selon l'une des revendications 6 à 9. 12. Ensemble comprenant une source (7) de neutrons et un réflecteur (8) selon l'une des revendications 6 à 9 entourant ladite source.