Brevet FR3025354A1 — publié le 20160304

CREATION D'ISOTOPES PAR REACTIONS NUCLEAIRES EN CHAINE La présente invention concerne un procédé et un système de création d'isotopes. Les isotopes créés peuvent être des isotopes stables ou instables, appelés alors radio-isotopes, dans leur état d'énergie fondamentale ou excitée, appelés alors isomères nucléaires. Pour la suite du texte, ils seront regroupés sous le terme « isotopes ». De plus, suivant un usage général, les termes « isotopes » et « nucléides » sont considérés comme des synonymes. Des isotopes sont notamment utilisés en médecine, dans le cadre de diagnostics et de thérapies. Ils peuvent également être utilisés pour d'autres applications scientifiques ou industrielles, par exemple pour le traçage de produits. Actuellement, les isotopes sont généralement produits par des accélérateurs de particules, circulaires (cyclotrons)ou linéaires, ou dans des réacteurs nucléaires. Cependant, du fait du coût et de la taille de ces installations, la production doit être réalisée sur un site dédié, éloigné des lieux d'utilisation. Cela implique d'organiser un transport rapide et sécurisé entre les lieux de fabrication et d'utilisation. Cela empêche également l'utilisation d'un certain nombre d'isotopes, dont les durées de vie sont trop courtes pour traverser ce processus, mais qui présenteraient des avantages du point de vue des applications. Le document US6 909 764 décrit un procédé de création 30 d'isotopes, dans lequel une cible est bombardée par des particules générées en utilisant un faisceau laser. Des 3025354 2 isotopes sont créés par des réactions nucléaires produites par l'interaction entre la cible et les particules. L'utilisation d'un faisceau laser permet de réduire la taille et le coût du système de création d'isotopes. Il est 5 ainsi possible d'installer le système de création des isotopes à proximité de leur lieu d'utilisation, éliminant le problème du transport, ce qui est particulièrement intéressant pour les isotopes de courte durée de vie. La mise en oeuvre du procédé décrit dans le document US 10 6 909 764 a permis de mesurer une activité de 2x105 Bq avec l'installation laser Vulcan (Rutherford Laboratory, UK) pour la production de Carbone 11(11C) avec une intensité laser de 1020 W/cm2, une durée d'impulsion de 750 femtosecondes, un seul faisceau laser et une seule impulsion lors de 15 l'interaction du faisceau de protons avec une cible solide d'Azote 14(14N). Cependant, une imagerie par émission de positrons (PET) nécessite une activité d'environ 5x105 Bq. Le procédé décrit dans le document US 6 909 764 ne permet donc pas d'obtenir, 20 avec les lasers actuels, un niveau de production d'isotopes suffisant. Il existe donc un besoin de procédés et de systèmes de création d'isotopes permettant d'obtenir un niveau de production suffisant, de taille et de coût réduits, pouvant 25 être installés à proximité du lieu d'utilisation des isotopes. La présente invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose un procédé de création d'isotopes, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes : /1/ bombarder une cible comprenant plusieurs composants, 30 d'éléments atomiques différents, par des particules chargées, les composants de la cible et les particules chargées étant choisis de manière que l'interaction entre la cible et les 3025354 3 particules chargées produise des réactions nucléaires en chaîne, /2/ récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires. 5 Le procédé peut en outre comprendre une étape /3/ consistant à récupérer de l'énergie générée par les réactions nucléaires. Les réactions nucléaires en chaîne peuvent comprendre : - des réactions nucléaires primaires impliquant les 10 particules chargées et un premier composant de la cible, les réactions nucléaires primaires produisant des particules énergétiques, et - des réactions nucléaires secondaires impliquant les particules énergétiques et un deuxième composant de la cible. 15 Les réactions nucléaires secondaires peuvent en outre produire des particules chargées. Le procédé peut en outre comprendre une étape de mise en condition de plasma de la cible. L'étape /1/ est alors réalisée lorsque la cible est en condition de plasma. 20 La cible est par exemple mise en condition de plasma en utilisant un ensemble de faisceaux laser. Les particules chargées peuvent être générées en utilisant un ensemble de faisceaux laser, un cyclotron, et/ou un accélérateur linéaire. 25 L'étape /1/ peut être répétée plusieurs fois sur la même cible. L'invention propose également un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus lorsque ce programme est exécuté par un processeur. L'invention propose également un système de création d'isotopes, comprenant : 3025354 4 /1/ des moyens d'irradiation configurés pour bombarder une cible comprenant plusieurs composants par des particules chargées, les composants de la cible et les particules chargées étant 5 choisis de manière que l'interaction entre la cible et les particules chargées produise des réactions nucléaires en chaîne, /2/ des moyens de récupération d'isotopes configurés pour récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de création d'isotopes selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 2 est un schéma fonctionnel montrant un 20 système de création d'isotopes selon un mode de réalisation de l'invention ; - la Figure 3 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de création d'isotopes selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; 25 - la Figure 4 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé, dans lequel des réactions nucléaires sont induites par un faisceau de protons accélérés par un faisceau laser dans une cible de nitrure de bore ; et - la Figure 5 représente une courbe de mesures de 30 l'activation post-mortem de la cible de l'exemple de la figure 4. 10 15 3025354 5 En se référant à la Figure 1, on décrit ci-dessous les étapes d'un procédé de création d'isotopes, selon un premier mode de réalisation de l'invention. 5 Selon le premier mode de réalisation, le procédé comprend : une étape S1 de bombardement d'une cible, une étape S2 de récupération d'isotopes, et une étape optionnelle S3 de récupération d'énergie. 10 A l'étape Si, une cible de combustible 2 (Figure 2) est bombardée par des particules chargées Pl. Ces particules peuvent comprendre plusieurs espèces et être chargées positivement ou négativement. La Figure 2 représente un système de création 15 d'isotopes par faisceaux laser, qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé. Le système comprend un ensemble de faisceaux laser 1, configuré pour permettre l'irradiation de la cible 2 par un faisceau de particules Pl. 20 L'ensemble de faisceaux laser 1 peut comprendre un ou plusieurs faisceau(x) laser. Sur la Figure 2, trois faisceaux ont été représentés. Une durée caractéristique des impulsions produites par les faisceaux laser 1 est par exemple comprise entre 25 50 femtosecondes et 1 nanoseconde. L'intensité, la longueur d'onde, la durée et la forme des impulsions produites par les faisceaux laser 1 sont en outre déterminées pour que les particules de bombardement présentent une énergie qui est proche de, ou supérieure à, celle des résonances de la 30 section efficace de la réaction nucléaire considérée. L'intensité des faisceaux laser 1 est par exemple de l'ordre de, ou supérieure à, 1018 W/cm2. 3025354 6 Les particules P1 sont générées par irradiation d'une deuxième cible 6 par l'ensemble de faisceaux laser 1. L'état initial de la cible 6 peut être solide, solide structuré, gazeux ou liquide. La cible 6 est par exemple une feuille 5 métallique d'épaisseur limitée. Les particules P1 sont par exemple des protons ou des deutérons. Les particules P1 peuvent être confinées ou focalisées. Il est important de noter que d'autres systèmes de 10 création d'isotopes peuvent être utilisés pour la mise en oeuvre du procédé. Par exemple, les particules chargées P1 peuvent être générées en utilisant un ensemble de faisceaux laser, un cyclotron et/ou un accélérateur linéaire. La cible 2 à bombarder comprend au moins deux 15 composants Cl et C2, d'éléments atomiques différents. Le nombre de composants n'est pas limitatif. Les composants Cl et C2 ne sont généralement pas radioactifs, et donc faciles à manipuler. La cible 2 peut être solide, solide structurée, gazeuse ou liquide. 20 La cible 2 peut présenter différentes formes. Selon le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, la cible 2 est disposée dans une enveloppe 4 comportant une ouverture. Dans ce cas, les particules P1 bombardent la cible 2 par l'ouverture. 25 Selon un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, la cible 2 comporte un creux. Dans ce cas, les particules P1 bombardent la cible 2 à l'intérieur du creux. Selon un autre mode de réalisation de l'invention non représenté, la cible 2 est plongée dans un champ magnétique, 30 ou électrique, ou une combinaison de ces champs. Cela permet de confiner le plasma et les particules chargées de la cible 2, donc d'augmenter le nombre d'interactions. 3025354 7 L'utilisation d'un creux ou d'une enveloppe permet de confiner les isotopes produits à l'intérieur de la cible 2 ou de l'enveloppe 4. Les composants de la cible 2 et les particules chargées 5 P1 sont choisis de manière que l'interaction entre la cible 2 et les particules chargées P1 produise des réactions nucléaires en chaîne. Les réactions nucléaires en chaîne comprennent des réactions nucléaires primaires, impliquant les particules 10 chargées P1 et un premier composant Cl de la cible 2. Les réactions nucléaires primaires produisent des particules énergétiques P2. En d'autres termes, le premier composant Cl est choisi de telle sorte que, lorsqu'il est irradié par les particules Pl, des réactions nucléaires se produisent 15 conduisant à des particules énergétiques P2. Les réactions nucléaires en chaîne comprennent également des réactions nucléaires secondaires, impliquant les particules énergétiques P2 et un deuxième composant C2 de la cible 2. En d'autres termes, le deuxième 20 composant C2 est choisi de telle sorte que des réactions soient possibles avec les particules P2, produisant des réactions nucléaires permettant de générer des isotopes. Selon des modes de réalisation de l'invention, les réactions nucléaires primaires peuvent produire, outre des 25 particules énergétiques P2, des isotopes. Les composants Cl, C2 de la cible 2 sont alors choisis de manière que les réactions nucléaires secondaires produisent entre autres des particules chargées Pl, à des énergies compatibles avec les réactions nucléaires primaires. 30 Des cycles de réactions peuvent ainsi être initiés, ce qui permet d'augmenter le rendement de production d'isotopes. 3025354 8 Il est important de noter que le nombre de réactions en chaîne, ainsi que le nombre de cycles possibles, dépendent des composants de la cible 2 et des particules Pl. L'utilisation de réactions nucléaires en chaîne est 5 particulièrement avantageuse lorsque les particules intermédiaires sont radioactives et difficiles à manipuler du point de vue de la sécurité et/ou de leur durée de vie brève. De plus, l'utilisation de particules énergétiques dans la cible 2 pour produire des isotopes par réactions 10 secondaires permet d'utiliser des faisceaux de particules P1 initiaux d'énergie réduite par rapport à la production d'isotopes par réactions primaires. L'étape S1 peut être répétée plusieurs fois sur la même cible 2. L'accumulation de tirs laser sur la même cible 2 15 permet d'augmenter la production d'isotopes et donc le rendement de l'opération. Le taux de répétition est par exemple de l'ordre de 103 Hz. A l'étape S2, des isotopes générés par les réactions nucléaires sont récupérés. 20 Les isotopes peuvent être récupérés directement dans la cible 2, en utilisant des moyens de récupération d'isotopes adaptés (non représentés), en particulier lorsqu'ils ont été confinés dans la cible 2 ou dans l'enveloppe 4. La récupération est ainsi facilitée. 25 Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, des moyens de récupération d'isotopes sont disposés à proximité de la cible 2. A l'étape S3, de l'énergie générée par les réactions nucléaires est récupérée, en utilisant des moyens de 30 récupération d'énergie adaptés (non représentés). L'étape S3 est optionnelle. 3025354 9 En se référant à la Figure 3, on décrit ci-dessous les étapes d'un procédé de création d'isotopes, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le procédé comprend ici : une étape SO de mise en condition de plasma de la cible 5 2, une étape S1 de bombardement de la cible 2, une étape S2 de récupération d'isotopes, et une étape optionnelle S3 de récupération d'énergie. A l'étape SO, la cible 2 est mise en condition de plasma, 10 celui-ci étant éventuellement confiné. On appelle « plasma » un milieu partiellement ou complètement ionisé, composé d'ions et d'électrons, sans présupposition de température et/ou d'équilibre. Dans le deuxième mode de réalisation, le système utilisé 15 pour la mise en oeuvre du procédé comprend également des moyens d'ionisation, configurés pour mettre la cible 2 en condition de plasma. Comme représenté en pointillés sur la Figure 2, les moyens d'ionisation comprennent par exemple un deuxième 20 ensemble de faisceaux laser 5. Le deuxième ensemble de faisceaux laser 5 peut comprendre un ou plusieurs faisceau(x) laser. Sur la Figure 2, deux faisceaux laser ont été représentés. Les impulsions qui sont produites par le deuxième 25 ensemble de faisceaux laser 5 présentent par exemple une durée caractéristique comprise entre une picoseconde et vingt nanosecondes. L'intensité des faisceaux laser 5 est par exemple de l'ordre de 1012-1015 W/cm2. Selon un autre mode de réalisation de l'invention non 30 représenté, les moyens d'ionisation comprennent une machine à striction axiale (Z-pinch). 3025354 10 Le système comprend également des moyens de synchronisation 7, configurés pour synchroniser le premier ensemble de faisceaux laser 1 et les moyens d'ionisation 5. Ainsi, la production des particules est synchronisée avec la 5 production du plasma, de manière que la cible 2 soit irradiée pendant qu'elle est en condition de plasma. Les étapes S1 à S3 du deuxième mode de réalisation sont similaires aux étapes S1 à S3 du premier mode de réalisation. Dans le deuxième mode de réalisation, du fait de 10 l'utilisation d'une cible 2 en condition de plasma, les interactions entres les particules P1 et la cible 2 sont plus efficaces, ce qui permet d'augmenter la production d'isotopes. Les isotopes créés peuvent être des isotopes stables, des radio-isotopes, ou des isomères nucléaires, en fonction 15 des applications considérées. Ce procédé permet notamment de produire l'isotope Carbone 11 (Mc) à partir des réactions nucléaires 14N(p,a)11C et 11B(p,n)11C produites par un faisceau de protons (p) bombardant une cible 2 contenant du nitrure de bore (BN). 20 D'autres isotopes, tels que Fluorine 18 (18F) , Azote 13 (13N), et Oxygène 17 (170), peuvent également être produits. Les isotopes créés dépendent des combustibles et des particules P1 utilisés. On décrit ci-dessous un exemple de mise en oeuvre du 25 procédé de création d'isotopes. Dans cet exemple, le faisceau de protons P1 est produit par l'interaction d'une impulsion laser contenant 12J, en 0.35 ps, à la longueur d'onde 1.06 pm, focalisée sur une feuille d'aluminium de 20 pm d'épaisseur initiale. 30 L'énergie maximale des protons P1 générés est de 10 MeV. La cible 2 est une cible de nitrure de bore, composée de bore naturel (80% de 1113 et 20% de HB) et d'azote 14N 3025354 11 De nombreuses réactions nucléaires peuvent se produire lors du bombardement de la cible 2 par les protons Pl. La Figure 4 est une représentation schématique des réactions nucléaires présentant le plus d'intérêt. 5 Les deux isotopes, 11C et MF, ont été observés par les mesures d'activation de la cible 2 après le tir. Les durées de demi-vie de ces deux éléments sont respectivement de 20,33 et 109,77 minutes. La Figure 5 présente une courbe d'activation Ca des 10 mesures d'activation au cours du temps, qui fait apparaître deux décroissances exponentielles caractéristiques, prouvant la production de MF à partir de réactions nucléaires secondaires dans la cible 2, à partir de particules alphas produites dans les réactions nucléaires primaires qui 15 initient un cycle de réactions nucléaires. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le spectre d'énergie des particules alphas produites dans la réaction 11B(p,0) () couvre les résonances des réactions avec les éléments 14N et MB, et les protons produits dans la réaction 14N(cx,p)170 ont 20 un spectre d'énergie permettant de produire la réaction HB(p, n) "C. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes. 25 REVENDICATIONS1. Procédé de création d'isotopes, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes : /1/ bombarder une cible (2) comprenant plusieurs composants (C1, C2), d'éléments atomiques différents, par des particules chargées (P1), les composants de la cible et les particules chargées étant choisis de manière que l'interaction entre la cible et les particules chargées produise des réactions nucléaires en chaîne, /2/ récupérer des isotopes générés par les réactions nucléaires. 2. Procédé de création d'isotopes selon la revendication 1, comprenant en outre une étape : /3/ récupérer de l'énergie générée par les réactions nucléaires. 3. Procédé de création d'isotopes selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les réactions nucléaires en chaîne comprennent : - des réactions nucléaires primaires impliquant les particules chargées (P1) et un premier composant (C1) de la cible (2), les réactions nucléaires primaires produisant des particules énergétiques (P2), - des réactions nucléaires secondaires impliquant les particules énergétiques (P2) et un deuxième composant (C2) de la cible (2). 3025354 13 4. Procédé de création d'isotopes selon la revendication 3, dans lequel les réactions nucléaires secondaires produisent desdites particules chargées (P1). 5 5. Procédé de création d'isotopes selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape de mise en condition de plasma de la cible (2), l'étape /1/ étant réalisée lorsque la cible est en condition de plasma. 10 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la cible (2) est mise en condition de plasma en utilisant un ensemble de faisceaux laser (5). 15 7. Procédé de création d'isotopes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les particules chargées (P1) sont générées en utilisant un ensemble de faisceaux laser (1), un cyclotron, et/ou un accélérateur linéaire. 20 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape /1/ est répétée plusieurs fois sur la même cible (2). 25 9. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 lorsque ce programme est exécuté par un processeur. 30 10. Système de création d'isotopes, comprenant : 3025354 14 /1/ des moyens d'irradiation configurés pour bombarder une cible (2) comprenant plusieurs composants (C1, C2) par des particules chargées (P1), les composants de la cible et les particules chargées 5 étant choisis de manière que l'interaction entre la cible et les particules chargées produise des réactions nucléaires en chaîne, /2/ des moyens de récupération d'isotopes configurés pour récupérer des isotopes générés par les réactions 10 nucléaires.