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Des neutrons dédiés à la recherche

A Grenoble, Aurélie Dureuil

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PRODUIRE DES NEUTRONS À VITESSES VARIÉES

Au cours des quatre cycles annuels de production de neutrons, les particules sont traitées de différentes manières afin de répondre aux demandes des chercheurs. Dans la majorité des cas, à la sortie du combustible, les neutrons produits sont ralentis dans de l'eau lourde à environ 50 °C. Les neutrons thermiques obtenus sont très utilisés par les chercheurs à l'ILL. Ils sont alors dirigés dans les 11 « guides » de l'ILL, de grands tubes qui permettent d'amener les neutrons à la bonne vitesse (2 200 m/s en moyenne) jusqu'aux différents équipements dédiés aux recherches. Pour certains travaux, des neutrons plus lents sont nécessaires. Pour cela, une cavité avec du deutérium liquide à 25 Kelvin

(-248,15 °C) est placée près du combustible pour refroidir encore plus les neutrons. Au sortir de cette source froide, les neutrons affichent une vitesse de 700 m/s en moyenne. Des travaux de physique fondamentale s'intéressent au moment dipolaire électrique des neutrons à partir de neutrons ultra-froids (vitesse autour de seulement 5 m/s). Enfin, un bloc de graphite chauffé par les rayons gamma issus des réactions nucléaires permet d'obtenir des neutrons plus rapides (vitesse moyenne de 6 000 m/s).

Des neutrons dédiés  à la recherche

Le réacteur nucléaire de l'ILL produit des neutrons pour des recherches scientifiques.

© © JL Baudet

Niché au cœur des montagnes grenobloises, l'Institut Laue-Langevin se targue d'être « la plus grande source de neutrons mondiale ». Plus de 800 chercheurs, accueillis par les 100 chercheurs de l'Institut, viennent de toute l'Europe, chaque année, pour utiliser ces éléments pour leur travaux dans différents domaines. Et notamment les applications médicales.

L'Institut Laue-Langevin (ILL) a fêté ses quarante ans d'activité en 2012. Quarante années dédiées à la recherche scientifique à partir des neutrons. Si la convention entre les États fondateurs (France et Allemagne) a été signée en 1967, cinq ans ont été nécessaires à la mise en place de l'ILL pour débuter la production de neutrons pour la science en 1972. L'année suivante, le Royaume-Uni devenait un des trois pays partenaires. Les neutrons, ces particules subatomiques, sont produites à partir du réacteur nucléaire de l'ILL situé à Grenoble. L'ILL emploie environ 500 personnes dont une centaine de chercheurs. Il accueille également plus de 800 chercheurs invités chaque année et venus de toute l'Europe. L'ILL met alors ses neutrons à la disposition de nombreux travaux scientifiques, notamment dans les domaines des matériaux, de la modélisation, de la physique fondamentale mais aussi de la biologie avec des applications pour le secteur de la santé.

Cette qualité d'Institut de service pour la recherche a été définie à la création de l'ILL par les pays fondateurs. Depuis, de nombreux pays, européens essentiellement, ont signé des partenariats d'accès à la source de neutrons grenobloise. Et en 2010, l'Inde est devenu le premier pays non européen à devenir partenaire de l'ILL. « Les trois associés ont signé une convention qui définit le fonctionnement de l'Institut et leur donne la responsabilité de le financer à long terme. Cette convention est en cours de renouvellement décennal. Nous avons ensuite des membres scientifiques qui achètent du temps de faisceau. 95 % des chercheurs qui travaillent sur les neutrons en Europe ont accès à l'ILL », détaille Helmut Schober, directeur adjoint de l'Institut. Près d'un quart du budget de l'institut est apporté par ces pays membres. Au total, en 2012, le budget s'est élevé à 85 millions d'euros environ. Une somme consacrée en partie à la modernisation constante de l'ILL, à l'acquisition de nouvelles technologies et à la formation du personnel qui les manipule. « En 2012, nous avons investi 20 millions d'euros pour la R&D et plus de 40 millions pour la masse salariale. Cela comprend la formation du personnel, dont l'expertise est un élément très important », souligne Charles Simon, directeur adjoint de l'ILL. Des investissements ont également concerné la sécurité du site basé dans une zone sismique. Peter Geltenbort, chercheur de l'ILL depuis plus de 30 ans, souligne que la politique de sécurité de l'Institut lui a permis de ne pas avoir de mise à niveau anti-sismique importante à réaliser, suite à Fukushima (Japon). Les investissements concernent également son réacteur nucléaire. « Le programme de modernisation se déroule en permanence. Au cours des 20 dernières années, la source n'a pas changé, mais la technologie nous a permis d'augmenter l'efficacité du transport de neutrons », confie Helmut Schober. Et ce, afin de « rester la 1e source mondiale de neutrons », ajoute-t-il. Aujourd'hui, le réacteur fonctionne avec de l'uranium hautement enrichi (93 %).

Car si l'ILL n'est pas un réacteur nucléaire semblable à ceux des centrales thermiques, les neutrons qui alimentent toutes les recherches de l'ILL restent des éléments issus de fission nucléaire. Le réacteur nucléaire a beau ne pas être très volumineux (9 kg d'uranium), son utilisation puis son traitement font l'objet de nombreuses attentions. « L'objectif est d'avoir la source de neutrons la plus intense, c'est-à-dire d'avoir le plus possible de neutrons par centimètre carré et par seconde », détaille Peter Geltenbort. Pour garantir un flux de neutrons constant, le combustible n'est pas utilisé totalement. Au bout de 50 jours, quand il a été brûlé à environ 40 %, le réacteur s'arrête. Le combustible est sorti et placé dans une première piscine de stockage pendant un mois. Il est ensuite stocké dans une seconde piscine pendant un à deux ans afin que la radioactivité diminue assez pour un retraitement à La Hague. Au total, l'ILL effectue quatre cycles de 50 jours chaque année. Pendant chacun de ces cycles, des neutrons à différentes énergies peuvent être obtenus avec toujours la contrainte d'obtenir une source constante de neutrons.

Toutes ces sources de neutrons alimentent une grande variété d'expériences. Dans le domaine de la santé, certaines expériences ont fait l'objet de publications en 2012. Des recherches ont notamment été menées dans le traitement des cancers avec des radioisotopes, des atomes dont le noyau est instable et radioactif. Les neutrons permettent la production de radioisotopes à partir d'atomes. « Alors que plus de 3 000 radioisotopes sont connus, il y en a très peu utilisés en médecine nucléaire. On compte l'iode 131 et l'yttrium 90, mais ce ne sont pas des isotopes idéaux », constate Ulli Köster, chercheur de l'ILL qui travaille sur ce sujet avec des équipes du Cern et du PSI (Suisse). Il ajoute : « pour détruire la cellule, le mieux est de détruire son noyau ». La stratégie adoptée est donc d'amener le radioisotope au plus proche des cellules tumorales puis d'utiliser l'élément radioactif afin qu'il émette des rayons détruisant les cellules. L'équipe de chercheurs a identifié un élément, le terbium, qui présente quatre isotopes intéressants, tant pour le diagnostic que pour le traitement d'un cancer du rein. Cet élément est encapsulé dans la molécule modifiée d'acide folique (vitamine B9). « Nous avons modifié la molécule pour qu'elle soit absorbée moins rapidement et qu'elle reste plus longtemps dans le sang. Ensuite, nous l'utilisons comme une cage pour piéger l'isotope. Quand on change l'isotope, on ne change pas la chimie. Les 152Tb et 155Tb sont utilisés pour le diagnostic afin de s'assurer que l'isotope atteint bien les cellules cancéreuses. Ensuite, les isotopes 149Tb et 161Tb permettent de les détruire », détaille Ulli Köster. Les études sur des souris ont permis de démontrer l'efficacité de la méthode, puisque 80 % des souris traitées ont été guéries. Après des tests précliniques approfondis, la prochaine étape pour cette étude sera l'initiation d'essais cliniques. « Nous avons démontré que nous n'avions pas de contraintes pour la production de ces isotopes avec la quantité et la qualité nécessaires », précise le chercheur. Des travaux sont également en cours avec d'autres isotopes et d'autres molécules vecteurs. Il cite, par exemple, la préparation d'un essai clinique de phase III avec l'utilisation de lutétium dans un traitement du cancer de la prostate. « L'ajout de radioisotopes peut être une bonne solution pour beaucoup d'anticorps qui vont au bon endroit mais dont l'efficacité de l'anticorps « nu » n'est pas assez importante », analyse Ulli Köster.

Outre l'utilisation des neutrons pour produire des radioisotopes, ces particules permettent également d'étudier l'impact de molécules sur les membranes cellulaires. « La diffusion neutronique ne détruit pas le système. Nous étudions la réflectivité neutronique sur des modèles de membranes qui nous donnent des informations en termes d'épaisseur, de densité, etc. », indique Marco Maccarini, chercheur de l'ILL qui travaille sur la toxicité des nanoparticules. De précédents travaux de l'Institut ont permis de modéliser une membrane afin d'étudier les interactions avec les différentes particules. C'est ce même modèle qui a été utilisé par d'autres équipes pour des travaux sur l'impact de médicaments sur les cellules. Ainsi, des scientifiques du King's College de Londres (Royaume-Uni) et de l'ILL ont utilisé la diffusion neutronique pour analyser les effets secondaires d'un antibiotique, l'Amphotéricine B (AmB). L'utilisation de neutrons a permis de valider l'hypothèse de la formation de trous en formes de canaux sur la membrane cellulaire à l'usage de l'AmB. Les neutrons permettent donc d'étudier les interactions à l'échelle de la membrane. « Les neutrons sont un outil idéal pour étudier les matériaux biologiques et leur comportement car les dimensions des protéines, virus et membranes cellulaires correspondent parfaitement à l'échelle de grandeur sondée par les neutrons », souligne Bruno Demé, chercheur à l'ILL qui a participé aux études sur l'AmB. Les neutrons sont ainsi utilisés dans de multiples domaines de recherche.

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UN CAMPUS SUR LES SCIENCES DE LA VIE CONSTRUIT À CÔTÉ DE L'ILL

A Grenoble, l'ILL est au cœur de sites de recherche du CNRS et du CEA. Le campus EPN (European photon and neutron science) regroupe ainsi l'ILL, le laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) et le site européen de radiation synchrotron (ESRF). L'année 2013 devrait voir l'inauguration sur le campus EPN d'un bâtiment de l'Institut de biologie structurale (IBS). D'une surface de 5 600 m2, ce site comptera 3 100 m2 de laboratoires et de bureaux.


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