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La route des lasers
Partenariat public-privé en Aquitaine dans le domaine des lasers
par Jean-Paul Baquiast 31/07/06

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Ce document est la synthèse d'un certain nombre d'informations obtenues sur les sites de la Région Aquitaine et du CEA. Il fait suite à un entretien aimablement accordé à notre Revue par le professeur Francis Hardouin, Délégué Régional à la Recherche et à la Technologie pour l'Aquitaine, que nous remercions.
Image ci-dessus Le LMJ (CEA)

Forte de 90 000 étudiants et 130 laboratoires de recherche, la Région Aquitaine s’inscrit dans une stratégie de croissance pour conforter sa position dans le domaine de la recherche et de l’enseignement supérieur.

Cette stratégie repose sur des points forts où se réalise un partenariat public-privé autour du développement de technologies duales (applications pour la défense et applications civiles). La compétence Laser représente dans ce but un atout essentiel.

C’est l’implantation en Aquitaine, par le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) du Laser Mégajoules qui a marqué le début de ces partenariats. Il s’agit d’un instrument unique tant par sa conception que par sa destination. L’objectif en est de simuler sans recours aux essais nucléaires les phénomènes se déroulant au cœur d’une bombe exploitant les possibilités de la fusion de l’hydrogène. La France maîtrise depuis de longues années ce type de projectile, mais la poursuite des recherches s’impose pour en diminuer les coûts, en augmenter la maniabilité et la sécurité d’emploi. On peut contester le fait que la France souhaite continuer à se doter d’une force de dissuasion nucléaire stratégique. Mais dans la mesure où le choix a été clairement fait par les représentants de la nation, il est indispensable de rester dans la course au plan scientifique et technologique. On ajoutera que dans l’avenir, l’apport de la dissuasion française à la défense européenne sera un thème important de négociation en vue de la construction d’une force européenne indépendante.

Cependant, l’Etat, par l’intermédiaire du CEA, a souhaité dès le début faire bénéficier la recherche civile, en priorité à travers les établissements universitaires et les entreprises installés en Aquitaine, du maximum de retombées et de possibilités de coopération résultant de la présence de ce grand équipement. Les lasers de toutes puissances constituent dorénavant des outils de recherche et de production industrielle aux multiples usages. Disposer en France d’un pôle de compétence mondiale en ce domaine ne peut que servir notre pays et plus généralement l’Europe scientifique et technologique, en attirant étudiants, enseignants, entreprises de nombreuses origines professionnelles et géographiques.

Le Laser Mégajoule (LMJ)

Soudage des secteurs de la sphère LMJ deux à deuxLes équipes du CEA implantées en Aquitaine, au Barp, près de Bordeaux (Cesta) se consacrent à l'architecture des armes nucléaires françaises. Elles disposent d'importants moyens expérimentaux pour tester la tenue des armes aux contraintes qu'elles pourraient subir (fortes accélérations, chocs…). A la fin de la décennie, le centre accueillera un nouvel outil de recherche : le laser Mégajoule, le plus puissant laser au monde. Les expériences de physique qui y seront menées apporteront les résultats qui permettront de passer des essais nucléaires en vraie grandeur à leur simulation numérique.

Depuis 1965, l'utilisation des lasers comme instrument d'étude des plasmas très denses, a conduit au développement d'un programme de développement technologique très important de la part de la Direction des applications militaires (DAM) du CEA. L'expertise ainsi acquise a permis la conception de ce qui sera le plus puissant laser du monde.

Depuis 1995, la DAM a en charge la maîtrise d'œuvre du LMJ. Elle s'appuie sur des industriels pour assurer ces réalisations. La réalisation a été décomposée en une quinzaine de grands ensembles homogènes adaptés aux différents métiers industriels existants en France et dans le monde. Le projet a tout d'abord été divisé en quatre phases principales qui sont les études de définition, les études de conception, la réalisation de prototypes et la construction proprement dite :

* Définition : cette phase (1994 - 1996) correspond à la définition aussi précise que possible de l'instrument à construire. Ce travail bénéficiait d'une part de l'expérience acquise dans le passé sur des installations précédentes comme Phebus, pour ne citer que le plus récent, d'autre part sur une collaboration établie depuis près de 30 ans avec le laboratoire américain Lawrence Livermore National Laboratory qui a un projet similaire.
Cette étape a également permis de rédiger les spécifications techniques pour consultation des industriels et de définir l'organisation apte à assurer le pilotage de cette construction. C'est dans cette phase d'étude qu'il a été décidé de construire, dans un premier temps, une installation prototype, la ligne d'intégration laser (LIL), destinée à valider en vraie grandeur l'ensemble des concepts retenus. Cette phase s'est terminée par une revue de projet permettant de recueillir les avis techniques des principaux spécialistes et d'obtenir l'autorisation de passer à la phase suivante.
La Ligne d'Intégration Laser (LIL) est le prototype à l'échelle 1 d'une des 30 futures chaînes laser du LMJ. La chaîne laser mesure 125 m de long et repose sur un bâti de 3,5 m de haut. La LIL est désormais fonctionnelle, depuis que en avril 2003, elle a obtenu une énergie de 9,5 kilojoules, ce qui constituait le record mondial d'énergie en lumière ultraviolette.

* Conception : les spécifications de la quinzaine d'ensemble du LMJ ont été définis au début de cette phase. Les marchés industriels ont été passés après consultation. A partir des spécifications établies, chaque industriel concerné a mis en place les équipes nécessaires et a assuré les études de conception permettant ensuite de lancer les fabrications. Cette étape essentielle a été suivie très étroitement par les experts du CEA afin de s'assurer de la cohérence de la conception avec les spécifications. Un plateau technique a assuré ce suivi et veillé aux interfaces entre chaque ensemble, la DAM conservant la responsabilité d'ensemble. Cette étape s'est terminée par la remise de dossiers de conception qui ont été approuvés avant de passer à la phase suivante.

* Réalisation des prototypes : ils sont destinés à la vérification en vraie grandeur de l'obtention des performances requises globalement, puis ensemble par ensemble. Une fois réalisés, ils ont été assemblés et constituent aujourd'hui la ligne d'intégration laser (LIL) qui a été mise ensuite en phase de qualification.

* Construction: après validation des concepts sur la LIL, et après la prise en compte des éléments de retour d'expérience de celle-ci, la production des ensembles du LMJ est lancée. Elle est précédée, compte tenu du grand nombre de composants identiques à réaliser, d'une période dite " d'industrialisation ", au cours de laquelle les moyens de fabrication sont optimisés en terme de coût. Cette opération d'industrialisation est particulièrement importante par exemple dans le domaine de l'optique pour laquelle des chaînes de fabrication complètes doivent être mises en place.

* Intégration: l'intégration est l'ensemble des opérations qui consistent, une fois les ensembles réalisés à les installer et à les mettre en service sur le site. Pour la LIL celle-ci a été pilotée par les équipes du CEA/DAM. Pour le LMJ, l'ampleur de l'opération (trente fois la LIL) impose de faire appel à une ingénierie industrielle pour coordonner les opérations de mise en place par les industriels puis la mise en service progressive de l'installation.
La partie la plus délicate concerne la fabrication des optiques de la LIL et du LMJ. Celle-ci nécessite de veiller à l'approvisionnement en matières premières, les fabriquer et les usiner, les polir pour atteindre un état de surface parfait, les traiter en surface pour leur donner toutes leurs caractéristiques (anti-reflet par exemple) L'ensemble de ces opérations concerne près de 10 000 optiques, sur une durée de 4 ans.

Le CEA a donc mis en place, dès 2004, un véritable processus d'industrialisation afin de passer du prototype, la LIL, à la série, le LMJ. Ceci se traduit par des retombées industrielles indéniables auprès des plus grands équipementiers comme des PME/PMI les plus modestes.

La coopération public privé autour du Laser Mégajoules

On attend du développement du Laser Mégajoule que s'établissent en région Aquitaine des liens cohérents entre un équipement de portée mondiale, le milieu scientifique et le milieu industriel .

Ces relations se bâtiront sur divers plans pour former autour du Cesta ce que l'on nomme désormais " la route des lasers ". Un des éléments majeurs de cet ensemble sera l'Institut Laser et Plasma (ILP) créé autour d'un partenariat entre CEA-Université de Bordeaux 1-CNRS. Cet Institut a une vocation nationale. Y participeront également d'autres laboratoires universitaires dont les travaux se rapportent à ces activités, ainsi que la région Aquitaine, les industriels impliqués dans la construction et la maintenance du LMJ et l'Union Européenne.

Des échanges importants concernent la physique et la technologie des lasers impulsionnels, la propagation des faisceaux laser et l'optique non-linéaire. Des conventions de laboratoire de recherche correspondants ont été signées entre le CELIA (Centre d'Etudes des Lasers Intenses et Applications), le CPMOH (Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne), le MAB (Mathématiques Appliquées de Bordeaux) et le CEA. Les thèmes concernés donnent lieu à des échanges entre chercheurs et à un encadrement partagé de stages universitaires et de thèses de doctorat.

Le domaine des collaborations s'étend aujourd'hui à l'ensemble des activités de recherche qui seront conduites sur ces installations. La création d'un pôle de recherche en Aquitaine sur la physique des plasmas permettra de fédérer des compétences qui déborderont largement du cadre de la région. Des équipes de l'Université, du CNRS et du CEA, participent à la préparation, au suivi, et à l'interprétation des expériences qui sont effectuées par les équipes du CEA chargées de la conduite du laser et de la réalisation des mesures.

Le CEA, l'université Bordeaux 1 et le CNRS se sont associés pour créer 2 entités :

- Une structure régionale de recherche : une Unité mixte de Recherche (UMR), qui effectuera des travaux en collaboration ouverte entre des personnels du CEA, de l'Université et du CNRS sur des thèmes précis dans le domaine des plasmas denses et chauds d'une part, de l'optique et des lasers d'autre part.

* Une structure de coordination : l'Institut Laser et Plasma, déjà cité, point d'entrée pour les relations avec le recherche " civile " et les expériences " ouvertes ", c'est-à-dire non protégées par le secret défense, sur la LIL et le LMJ. Les deux domaines scientifiques et techniques prioritaires de l'ILP sont : La physique des plasmas denses et chauds et leurs applications - Les lasers ultra-denses (technologie et applications

Les scientifiques trouveront à l'ILP un point d'entrée pour la préparation et la réalisation de leurs travaux. L'Institut sera aussi le promoteur actif de projets scientifiques auprès de chercheurs et d'industriels. Il réunira un ensemble de compétences sur les thématiques des plasmas denses et chauds, sur la physique des conditions extrêmes et des lasers. De multiples applications en découleront : scientifiques, technologiques et industrielles. Par ailleurs, l'Institut s'appuiera sur des compétences exceptionnelles d'enseignement et de formation par la recherche. L'Université Bordeaux 1 pourra proposer des formations grâce au parc de lasers auquel auront accès étudiants et professionnels. Enfin, le transfert de technologies et, de manière plus générale, l'implication dans des problématiques de nature industrielle feront partie de la mission de l'Institut.

De nouveaux outils

En appui aux programmes LIL et LMJ, d'autres installations viennent compléter les moyens d'études menées en physique des lasers ou des plasmas.
Il s'agit du laser Alisé et du laser Pétawatt

* Le Laser Alisé

Laser AliséPour parfaire la compréhension de beaucoup des phénomènes physiques mis en jeu dans les lasers de puissance et améliorer les technologies actuelles, des installations adaptées sont mises en place au CEA Cesta. Une d'entre elles est le laser Alisé.
Alisé, Activité Laser ImpulSionnel pour les Études, est un laser de puissance. Il délivre une impulsion lumineuse de 100 milliards de watts à 100 mille milliards de Watt dans une durée extrêmement courte, un milliardième de seconde voire, dans certaines configurations, 1000 fois moins.

Cette installation apporte un soutien technique et scientifique au projet LMJ en complément de son prototype, la LIL. Elle servira également aux études de physique plus prospectives (physique du laser ou étude de l'interaction laser/matière) ainsi qu'à la formation des professionnels aux lasers de puissance.

Ce laser, dont les premiers photons sont sortis en février 2002, est proposé dans les programmes de recherche du Programme Cadre de Recherche et Développement de la Commission européenne. Alisé constituera à terme un outil unique ouvert à la communauté scientifique.

* Petawatt : le laser de l'extrême !

Laser petawattUn petawatt est un million de milliards de watts : peu d'énergie, mais délivrée en un millième de milliardième de seconde. L’association entre la LIL, laser énergétique avec un laser puissant, le Pétawatt, constituera à son tour une réalisation unique au monde. Il s’agira d’un outil de tout premier ordre dans le domaine des plasmas denses et chauds, mais aussi, un instrument décisif dans la compréhension des processus élémentaires qui pourraient aboutir à la maîtrise de la fusion thermonucléaire contrôlée et apporter une réponse définitive à la satisfaction des besoins énergétiques de demain.

Indiquons à ce propos que le développement du réacteur nucléaire expérimental à fusion Iter, qui repose sur d’autres principes de confinement du plasma que le laser (confinement magnétique) ne pourra que bénéficier des apports du LMJ, tant dans la compréhension des phénomènes de plasma et de leurs turbulences, que dans la maîtrise des neutrons rapides et des matériaux résistants.

Cet ensemble de deux lasers, l’un de haute énergie et l’autre de forte puissance, pourrait montrer l’intérêt de l’utilisation des lasers brefs et intenses dans le domaine de la fusion. Il permettra la mise au point de nouveaux moyens d’allumage des réactions de fusion, des diagnostics et d’analyse.

Le couplage, LIL-Petawatt, entre un laser très énergétique et un laser de puissance multiplie les possibilités d’études sur l’interaction laser-matière, mais permet également d’aborder des nouveaux domaines de recherche qui, sans cet instrument unique, ne pourraient être réalisés.

La région Aquitaine est maître d'ouvrage de la construction du laser Petawatt, manifestant par là sa volonté d'être un acteur de premier plan dans l'évolution technologique de l'Aquitaine. Outil unique et fédérateur pour les chercheurs, s'il est couplé à la ligne d'intégration laser (LIL), le laser Petawatt permettra par exemple de recréer et d'observer, en laboratoire, des conditions de formation d'une étoile. Le laser est aussi un outil pour mieux comprendre l'Univers. Il présente donc aux yeux des scientifiques un grand intérêt pour la recherche fondamentale. Avec un tel outil, c'est la physique "des extrêmes" qui devient enfin accessible en laboratoire : une physique peu explorée dans laquelle la Région Aquitaine jouera un rôle de pionnier grâce à ce moyen unique dont elle peut décider de se doter.

Le laser Petawatt, est aussi un important outil de diagnostic à disposition des scientifiques: grâce à ses "flashs" d'intensité lumineuse, il permettra de prendre, en quelque sorte, des "photos" du déroulement des expériences menées sur la ligne d'intégration laser (LIL) puis sur le laser Mégajoule.

La Route des lasers fait partie des 165 projets issus de 57 pôles de compétitivité financés par l’Etat avec la participation des collectivités régionales.

oOo

Nous pouvons terminer ce bref exposé par une courte considération politique. Un tel programme montre bien le caractère indispensable des grands équipements publics dits de souveraineté, y compris dans le domaine aujourd'hui très mal perçu de la défense - dès lors qu'une étroite collaboration entre les universités et les entreprises permet de maximiser leurs retombées pour la recherche fondamentale comme pour la croissance économique. Nous avons déjà signalé dans cette Revue le rôle tenu, dans un domaine proche, par le CEA concernant la réalisation de grands centres de calcul (Tera 10) échappant, au moins en partie, à la domination de l'industrie américiane (voir notre article "Projet d' « Initiative pour des réseaux européens de calcul à haute performance"
http://www.automatesintelligents.com/echanges/2005/dec/calcul.html

Pour en savoir plus
DRRT Aquitaine http://www.drrtaq.u-bordeaux.fr/presentation.htm
Conseil Régional d'Aquitaine http://aquitaine.fr/
Le LMJ sur le site du CEA http://www-lmj.cea.fr/html/rubrique511.html

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