Il est possible de sonder la matière avec des faisceaux de lumière, de neutrons ou d'électrons, qui interagissent de manière très spécifique avec elle. Ainsi, alors que les rayons X sont fortement diffusés par les éléments lourds, les neutrons sont davantage sensibles aux éléments légers et au magnétisme.
Les techniques de diffusion neutronique permettent d'explorer la matière jusqu'à des échelles sub-atomiques. Grâce à leur grande sensibilité énergétique (jusqu'au nano électronvolt), elles sont devenues un outil de recherche important en physique et chimie de la matière condensée, sciences des matériaux et de la matière molle, sciences de la vie ou encore géosciences. Elles sont aussi utilisées par des industriels pour identifier des matériaux, les radiographier, valider leur résistance aux rayonnements ou qualifier des assemblages métallurgiques.
Pour les expériences nécessitant des flux élevés de neutrons, il faut disposer de réacteurs de recherche ou de sources à spallation, telles que la source européenne ESS (European Spallation Source) en construction en Suède. Ces grandes infrastructures produisent des flux intenses de neutrons (jusqu'à 1018 par seconde). Toutefois, les neutrons produits dans le combustible nucléaire ou dans la cible de spallation sont émis dans des directions aléatoires ; en conséquence, seule une petite fraction des neutrons produits est effectivement utilisée, après sélection d'un faisceau bien collimaté et filtré en énergie.
Des sources compactes équipées d'un accélérateur de protons à courant élevé
Après les réacteurs de recherche dans les années 1950 et les sources à spallation dans les années 1970, les physiciens ont envisagé de construire une 3e génération de sources de neutrons appelée HiCANS (High-current accelerator-driven neutrons sources), utilisant des développements récents en matière d'accélérateurs de protons : des protons accélérés à moyenne énergie (quelques dizaines de MeV) puis diffusés sur une cible sont partiellement convertis en neutrons ; ces derniers sont ensuite « modérés » à énergie « thermique » (~ 25 meV à 300 K) avec une longueur d'onde associée de l'ordre du dixième de nanomètre.
L'Iramis, l'Irfu et leurs partenaires ont modélisé les performances ultimes d'une source HiCANS dont le volume serait réduit à un litre – le cœur d'un réacteur de recherche occupant approximativement un mètre cube – afin d'augmenter sa brillance. Selon leurs simulations numériques, une telle source pourrait afficher des performances équivalentes à celle d'un réacteur de recherche ou d'une source à spallation de puissance moyenne. L'objectif est de mettre à la disposition des scientifiques français (chercheurs et industriels) des sources accessibles, dont la construction serait bien moins coûteuse que celle d'un réacteur nucléaire ou d'un accélérateur de protons à haute énergie.
La DRF a engagé un programme de R&D sur le sujet depuis plusieurs années, en particulier autour de la plate-forme IPHI-Neutrons. Ces travaux ont conduit à un avant-projet sommaire sur la proposition de construction d'une nouvelle source de diffusion neutronique française, ICONE, qui utiliserait la technologie des HiCANS.
Le CEA et le CNRS ont lancé cette année la rédaction d'un avant-projet détaillé pour ce projet. Cette installation aurait pour vocation de servir la communauté française des utilisateurs des techniques neutroniques, forte d'un millier de chercheurs environ, répartis sur plus de 300 laboratoires français.