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La poussée scientifique en physique nucléaire
Des fondements de la physique nucléaire…
La physique nucléaire est un domaine de recherche qui étudie le noyau atomique, ses constituants et leurs interactions. Un noyau atomique est constitué de nucléons: les protons (dont le nombre est désigné par Z) porteurs d’une charge électrique positive et les neutrons (dont le nombre est désigné par N) électriquement neutres. La cohésion de ces nucléons est assurée par l’interaction forte : une force fondamentale extrêmement attractive pour des distances inter nucléons (de l’ordre du Fermi soit 10⁻¹⁵ m). Une autre force active au sein du noyau atomique est la répulsion coulombienne. Cette dernière annonce que deux charges électriques de même signe se repoussent. Les protons d’un noyau étant chargés positivement, ils sont sujets à cette répulsion.Au-delà de Z = 82 (Numéro atomique du plomb P b) la quantité de protons est telle que la répulsion coulombienne est supérieure à l’interaction forte. Les noyaux trop denses deviennent instables, ils sont dits radioactifs. Ces éléments vont chercher à retrouver leur stabilité en se désintégrant spontanément en d’autres atomes stables. Les trois principaux modes de désintégration sont :
• β− : émission d’un électron (e−)
• β+ : émission d’un positron (e+)
• α : émission de deux protons et deux neutrons (⁴₂He)
Cependant, il existe également d’autres modes comme la capture électronique, l’émission de proton(s) ou encore la désexcitation gamma.
À l’état naturel il existe 80 éléments stables avec un ou plusieurs isotopes ce qui représente un total de 252 nucléides stables. Ceux-ci sont répartis entre l’élément le plus léger : l’hydrogène (H) constitué d’un unique proton et vont jusqu’à l’élément stable le plus lourd, le plomb (P b) constitué de 82 protons. En revanche, pour les éléments radioactifs, le nombre maximum de protons et neutrons pouvant constituer le noyau atomique n’est connu que de l’hydrogène jusqu’à l’oxygène. La limite d’existence pour les éléments plus lourds que l’oxygène n’est pas connue. Actuellement quelques 2800 noyaux radioactifs ont été synthétisés et de nombreuses expériences sont réalisées pour synthétiser d’autres isotopes.
à la poussée scientifique…
Il serait trop ambitieux de réaliser une liste exhaustive des différents objectifs adressés par la recherche en physique nucléaire. Pour notre part, nous allons nous restreindre au domaine de recherche qui s’intéresse à la synthèse et l’étude des noyaux exotiques. Le lecteur désireux d’avoir une vision plus complète sur les objectifs de la recherche à propos de la physique nucléaire moderne pourra se référer à [1]. Un noyau est dit exotique s’il n’existe pas à l’état naturel sur terre mais qu’il est susceptible d’exister dans le cosmos, par exemple dans une supernova . Parmi les noyaux exotiques, nous distinguerons trois catégories différentes :
• Les noyaux exotiques riches en neutrons
• Les noyaux riches en protons
• Les noyaux super-lourds
Les éléments super-lourds font référence aux noyaux dont le nombre de protons est supérieur à 110. D’après les connaissances actuelles, ces noyaux sont tous radioactifs et ne possèdent aucun isotope stable. En opposition à cela, les noyaux dont le nombre de nucléons est dit magique ont la particularité d’être extrêmement stables. Se pose alors la question de l’existence de noyaux super-lourds stables. Les interrogations portent sur l’existence d’un îlot de stabilité pour des éléments super-lourds dont le nombre de neutrons se situerait autour de 184.
De manière plus générale, l’objectif est d’étudier les limites d’existence des noyaux sur la carte neutrons/protons. Les zones de cette carte encore inconnues à ce jour sont appelées la Terra ingognita et abritent potentiellement plus de 5000 noyaux.
Les noyaux exotiques loin de la ligne de stabilité n’ont pas été observés à l’état naturel ni sur terre ni dans l’ensemble des matières extra-terrestres étudiées (météorites, échantillons lunaires,…). Pour pouvoir les observer, ils doivent être créés artificiellement. À titre d’exemple, l’élément le plus lourd jamais synthétisé de nos jours est l’Oganesson (nommé en hommage au physicien russe Yuri Oganessian) qui possède 118 protons. Il a été synthétisé à Doubna (Russie) en 2005 avant d’être validé en 2016 par l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) [2].
Le principe de création de noyaux super-lourds le plus répandu consiste à accélérer un flux de particules de numéro atomique Zproj et de le faire entrer en collision avec une cible composée d’éléments Zcible afin de provoquer une réaction de fusion nucléaire dans laquelle les noyaux vont s’agréger pour former de nouveaux noyaux de numéro atomique Zfus = Zproj + Zcible. Les dispositifs permettant de synthétiser de nouveaux éléments au moyen de la fusion sont appelés des accélérateurs de particules.
… au besoin des accélérateurs de particules
Un accélérateur de particules est un dispositif permettant d’accélérer un flux de particules chargées (protons, électrons, ions, …) au moyen de champs électromagnétiques. L’exemple le plus connu étant le LHC (Large Hadron Collider) situé sur le site du CERN non loin de Genève.
Les caractéristiques du faisceau de particules dépendent de la structure utilisée. Ainsi, il convient de choisir la structure de l’accélérateur en fonction de la nature des expériences à réaliser. Pour comprendre les différences existantes entre les différentes structures, il faut tout d’abord définir deux paramètres primordiaux que sont l’énergie et l’intensité délivrées par un accélérateur de particules (il existe d’autres paramètres principaux comme l’émittance mais ceux-ci ne seront pas abordés ici pour simplifier les explications ) : • L’énergie généralement exprimée en MeV, GeV ou encore TeV quantifie l’énergie acquise par les particules avant leur collision. Pour pouvoir provoquer des réactions de fission ou de fusion nucléaire, il faut apporter suffisamment d’énergie aux particules pour pouvoir vaincre l’interaction coulombienne.
• L’intensité généralement exprimée en µA ou mA permet de quantifier la concentration des particules au sein d’un faisceau. À titre d’exemple, un faisceau de 1 µA de particules mono-chargées correspond à un faisceau de 6.2 ∗ 10¹² particules/seconde. Plus l’intensité est grande et plus la probabilité de réaliser des collisions est importante. Il faut garder en tête qu’il existe du vide entre les atomes constituant la matière. Ainsi quand une cible est bombardée par un faisceau de particules, seule une fraction de ces particules entre réellement en collision avec la cible, le reste passe à travers.
L’énergie et l’intensité requises sont définies en fonction de la nature des noyaux exotiques que nous cherchons à synthétiser. Par exemple, dans le cas de la synthèse d’éléments lourds, le niveau d’énergie doit être suffisant pour franchir la barrière coulombienne mais ne doit pas être trop élevé pour ne pas générer des réactions de fission. Pour de telles réactions, le paramètre primordial est l’intensité. Du fait de la structure lacunaire de la matière peu de réactions sont observées lorsqu’un faisceau de particules est envoyé contre une cible et parmi les réactions observées, toutes ne sont pas des réactions de fusion. L’utilisation de faisceau à haute intensité permet d’augmenter la probabilité de réaction et donc de réduire la durée de l’expérience nécessaire pour observer suffisamment de réactions de fusion.
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Table des matières
1 Chapitre 1 : Introduction générale
1.1 La poussée scientifique en physique nucléaire
1.1.1 Des fondements de la physique nucléaire
1.1.2 à la poussée scientifique
1.1.3 … au besoin des accélérateurs de particules
1.2 L’accélérateur SPIRAL2
1.2.1 Objectifs scientifiques
1.2.2 Principe de fonctionnement
1.2.3 L’apport de la supraconductivité
1.3 La cryogénie
1.3.1 L’hélium
1.3.2 Les cryomodules
1.3.3 Les contraintes d’opération
1.4 L’automatique
2 Chapitre 2 : Modélisation des systèmes crygéniques associés à un LINAC
2.1 Modélisation des composants cryogéniques
2.1.1 Avant propos
2.1.2 État de l’art
2.1.3 La bibliothèque Simcryogenics
2.1.4 Conventions utilisées
2.2 Les nouveautés réalisées
2.2.1 Motivation
2.2.2 Les vannes de régulation
2.2.3 Les séparateurs de phases
2.2.4 Pertes de charge
2.2.5 Les tuyaux 0D
2.2.6 Les tuyaux 1D
2.2.7 Les turbines
2.3 Conclusion
3 Chapitre 3 : Modélisation du système cryogénique de SPIRAL2
3.1 Méthode de validation d’un modèle
3.1.1 Méthode de comparaison
3.1.2 Calcul des incertitudes
3.2 Modélisation de l’usine cryogénique
3.2.1 Description et fonctionnement
3.2.2 Modélisation
3.2.3 Validation du modèle
3.2.4 Conclusion
3.3 Modélisation de la cryodistribution
3.3.1 Description de la cryodistribution
3.3.2 Modélisation
3.3.3 Validation du modèle de la cryodistribution
3.3.4 Conclusion
3.4 Modélisation des cryomodules
3.4.1 Description et fonctionnement
3.4.2 Modélisation
3.4.3 Critères de validation
3.4.4 Validation du modèle des cryomodules
3.5 Conclusion
4 Chapitre 4 : Synthèse de lois de contrôle pour les cryomodules
4.1 Synthèse et implantation d’une commande quadratique
4.1.1 Contexte
4.1.2 Synthèse d’une loi de commande LQ appliquée aux cryomodules
4.1.3 Résultats expérimentaux
4.1.4 Conclusion
4.2 Synthèse d’un estimateur de charge thermique non linéaire
4.2.1 Contexte
4.2.2 Synthèse d’un observateur de charge non linéaire
4.2.3 Résultats expérimentaux
4.2.4 Lien entre la charge thermique et le facteur qualité
4.2.5 Conclusion sur le FKE
4.3 Conclusion
5 Chapitre 5 : Contrôle hiérarchisé d’un système cryogénique
5.1 Contexte
5.1.1 Présentation de la problématique
5.1.2 État de l’art
5.1.3 Solution utilisée
5.2 La commande hiérarchisée
5.2.1 Les équations du système
5.2.2 Le problème d’optimisation
5.2.3 Les contraintes d’implantation
5.3 La solution existante
5.3.1 Les équations des agents
5.3.2 Itération du point fixe
5.3.3 Minimisation de la fonction de coût
5.3.4 Mise en forme de l’algorithme
5.4 Les nouveautés apportées
5.4.1 L’approche utilisée
5.4.2 Forme d’implantation des contrôleurs
5.4.3 Agents de type PID
5.4.4 Agents de type LQI
5.4.5 Agents de type LQ
5.5 Application au réfrigérateur 400W
5.5.1 Description du système utilisé
5.5.2 Le modèle
5.5.3 Résultats en simulation non linéaire
5.5.4 Résultats expérimentaux
5.6 Conclusion
Conclusion générale
