Le projet Laser Mégajoule

Attendu pour 2014, le Laser Mégajoule (LMJ) doit permettre d’étudier en laboratoire, à l’échelle microscopique, les propriétés de la matière portée à des températures et des densités extrêmement élevées et de recréer, en particulier, les conditions pour réaliser la fusion thermonucléaire de l’hydrogène.

En concentrant de l’énergie sous forme de lumière laser sur une microbille, le Laser mégajoule permettra d’étudier la matière à l’état de plasma, c’est-à-dire dans des conditions extrêmes de densité et de température. L’énergie laser délivrée par le LMJ sera, en conditions optimales, de 1,8 mégajoule, soit 1,8 million de joules.
Ces études répondront d’abord aux besoins des spécialistes CEA des armes nucléaires, dans le cadre du programme Simulation. Depuis la décision de la France en 1996 de ne plus recourir aux essais nucléaires, les ingénieurs du CEA reproduisent, à l’aide de calculateurs hautes performances, le fonctionnement des armes nucléaires. Les expériences de physique menées sur le LMJ confirmeront les résultats fournis par les calculs sur ordinateur : elles permettront de faire progresser et de valider les modèles fondamentaux, en vérifiant que la modélisation prend bien en compte la totalité des phénomènes en jeu et leurs interactions.

Dans le domaine civil, l’installation intéressera aussi la communauté scientifique internationale dans les domaines tels que la physique de la matière, l’énergie et l’astrophysique.
La construction du Laser Mégajoule (LMJ) a débuté en 2003 sur le centre CEA Cesta, au Barp, près de Bordeaux. Le bâtiment, de 300 mètres de long, 150 mètres de large et 35 mètres de haut, est dimensionné pour accueillir 240 faisceaux lasers regroupés en 30 chaînes de 8 faisceaux. Ces faisceaux sont amplifiés dans 4 "halls lasers" ; ils seront concentrés sur la cible placée dans une chambre d’expérience sphérique, de 10 mètres de diamètre, située à l’intersection des quatre halls lasers.

Principe de fonctionnement du laser Mégajoule

Le fonctionnement d’une arme nucléaire déclenche un phénomène de fusion thermonucléaire : c’est la réaction entre deux noyaux légers, le deutérium et le tritium, deux formes de l’hydrogène, aboutissant à la production d'un noyau plus lourd que l'un ou l'autre des noyaux initiaux, qui dégage une grande quantité d'énergie. Pour reproduire à échelle réduite ces phénomènes extrêmes de température et de pression, et ainsi valider les modèles physiques qu’ils ont calculés, les ingénieurs du CEA utilisent la fusion par confinement inertiel. La méthode repose sur l'utilisation de lasers de puissance pour comprimer et chauffer le deutérium et le tritium contenu dans une petite bille, portant ainsi ces atomes à des conditions de densité et de température propres au démarrage et à l'entretien des réactions de fusion.

Avant d’être concentrés sur la bille de 2 mm de diamètre, tous les faisceaux du LMJ auront effectué un parcours semblable à un grand meccano optique constitué de fibres optiques, de lentilles, de miroirs. Le long de ce parcours, le faisceau généré avec une très faible énergie (1 milliardième de Joule) acquiert ses propriétés et est amplifié par étapes pour obtenir l’énergie finale désirée d’environ 10 000 Joules dans l’ultra-violet.

Un prototype déjà en fonctionnement,
la Ligne d’Intégration Laser, LIL

La ligne d’intégration laser (LIL), construite sur le site du CEA Cesta, est le prototype à échelle réelle de l’une des soixante unités qui constitueront le Laser Mégajoule. La LIL est le plus puissant laser d'Europe en terme d'énergie délivrée et le restera jusqu'à l'entrée en service du Laser Mégajoule.
Cet instrument a été développé et mis au point pour valider les choix technologiques du Laser Mégajoule. Depuis sa mise en fonctionnement en 2002, la Ligne d'intégration Laser a permis d’optimiser l’ensemble de la chaîne laser. La méthode d’alignement, le lissage des faisceaux de lumière ou encore la fiabilité des composants ont été évalués et améliorés en vue de leur utilisation, à coût minimal sur le Laser mégajoule. Les diagnostics pour le contrôle des faisceaux et pour effectuer les mesures en cours d’expériences y ont été mis au point.
Plus qu’un prototype, la Ligne d'intégration laser, LIL est, par ses caractéristiques - 30 kilojoules de lumière ultraviolette focalisés sur la cible à la longueur d’ondes de 351 nanomètres -, un instrument de physique exceptionnel. Elle est utilisée pour mener des expériences de physique des plasmas.

Deux autres projets majeurs de lasers de puissance :
PETAL et HIPER

En appui aux programmes expérimentaux menés sur la Ligne d'intégration laser puis le Laser mégajoule, d'autres installations viennent compléter les moyens d'études en physique des lasers ou des plasmas. C’est le cas notamment du laser petawatt PETAL, PETtawatt Aquitaine Laser, réalisé sous maîtrise d'ouvrage de la région Aquitaine. Le projet PETAL consiste en la réalisation, pour 2014, d’un laser de haute énergie et de très haute puissance générant des impulsions de 3,5 kilojoules durant 0,5 à 5 picosecondes (millième de milliardième de seconde) et son couplage avec les faisceaux lasers de haute énergie mais de durée plus longue (quelques nanosecondes – milliardièmes de seconde) comme ceux de la Ligne d'intégration laser ou du Laser mégajoule.

Avec beaucoup d’autres laboratoires européens, dont plusieurs installés sur le plateau de Saclay (Essonne), PETAL constituera un outil indispensable pour explorer et valider les technologies et les principes physiques qui seront employées sur un autre projet, le programme européen HIPER, High Power Laser Energy Research.

L’objectif de HIPER est de démontrer la viabilité technologique et économique de la fusion laser pour la production d’énergie. La phase préparatoire du projet HIPER, qui rassemble 26 partenaires issus de 10 pays européens, s’achèvera en 2011.

L'ouverture A la recherche et l'industrie

Le pôle de compétitivité "La route des lasers"

La LIL et le LMJ constituent des moyens uniques pour simuler les phénomènes qui se manifestent sous des conditions extrêmes de températures, pressions et densités, telles que celles rencontrées dans les étoiles et les noyaux planétaires.

Afin de fédérer et développer les activités scientifiques et industrielles autour de ces installations dans le domaine des plasmas denses et chauds, de l’optique et des lasers, le projet Route des lasers est né en 2003. Il constitue un pôle de compétitivité national labellisé.

Le volet recherche

Deux entités de recherche ont été créées par le CEA, l’Université de Bordeaux 1, le CNRS et l’École Polytechnique :

• Une structure régionale de recherche, Unité mixte de recherche (UMR) le Celia pour Centre d’étude des lasers intenses et de leurs applications. Une soixantaine de chercheurs effectuent des travaux en collaboration ouverte entre des scientifiques du CEA, de l’université et du CNRS sur des thèmes précis dans les domaines des plasmas denses et chauds d’une part, de l’optique et des lasers d’autre part.
• Une structure de coordination nationale, l’Institut lasers et plasmas (ILP) dont la mission est de promouvoir la recherche sur les plasmas denses et chauds et les lasers intenses. Regroupant 27 laboratoires français, l’ILP est le point d’entrée pour les expériences sur la Ligne d'intégration laser et le Laser mégajoule. Les premières expériences ouvertes ont été réalisées fin 2005 sur la LIL.

Le volet industriel

En mai 2004, onze investisseurs publics et privés – dont le CEA – se sont rassemblés pour créer une société d’économie mixte locale, la SEML Route des Lasers. Cette structure a vocation à acquérir, construire, aménager et gérer des biens immobiliers permettant l’accueil d’entreprises dans le cadre de la filière optique et lasers en Aquitaine.

Avec ces installations expérimentales exceptionnelles, l'Aquitaine possèdera un équipement de recherche d'une envergure quasiment unique au monde.