​Pourquoi un programme Simulation ? 

La question peut surprendre dans un tel dossier tant la mission semble évidente : garantir la crédibilité et la pérennité de la dissuasion sans réaliser de nouveaux essais nucléaires, conformément aux engagements de la France. Mais pourquoi ne pas se contenter du stock d’armes conçues grâce aux essais nucléaires passés ? « Très simplement parce que les têtes nucléaires, mises à disposition des forces aériennes et océaniques, vieillissent, indique Denis Vacek, directeur du programme Simulation au CEA. Au bout de quelques dizaines d’années, nous devons les renouveler. » Dans ce cas, pourquoi ne pas les reconstruire à l’identique ? En réalité, l’identique n’existe pas pour des objets d’un si haut niveau de conception, compte-tenu des évolutions des outils industriels qui les ont fabriquées et des vecteurs qui les embarquent.

Ce renouvellement est également l’occasion d’une « mise à niveau ». Chaque arme française se doit d’être pleinement efficace et de passer les défenses ennemies. « Celles-ci évoluent et nous adaptons en conséquence le design des têtes nucléaires, poursuit le responsable. Tout l’objectif du programme est de garantir que nos armes délivreront l’énergie pour laquelle elles ont été conçues, avec la précision requise. Meilleures elles sont, moins nous avons de probabilité de nous en servir. » 

Le Programme Simulation : trois piliers pour un outil intégré

Le programme Simulation est une démarche scientifique qui
s’appuie sur trois piliers : la description de la physique par des équations, la simulation numérique de tous les phénomènes, et enfin la validation expérimentale pour se raccrocher à la réalité.

Le fonctionnement des armes nucléaires fait intervenir des milliers de paramètres physiques, sur des échelles de temps et d’espace très variées : la matière passe par des états extrêmes en termes de pression, de température et de déformation. La description de ces phénomènes physiques doit être la plus fine possible pour servir de base aux modèles numériques qui les reproduisent sur des superordinateurs. Cette suite logicielle, alimentée par les données de base, soutenue par des outils numériques et validée sur un périmètre expérimental constitue le standard de garantie des armes.

D’importants moyens de calcul et de simulation

La modélisation physique des phénomènes par des équations complexes alimente la simulation numérique. Le centre CEA de
Bruyères-le-Châtel abrite ainsi le complexe de supercalculateurs dédiés à la défense.

Depuis 2025, les deux partitions d’Exa1, construites par Bull, permettent de réaliser plusieurs centaines de millions de milliards
d’opérations par seconde. « La complexité de notre simulation numérique peut être comparée à celle pour le climat, explique
Denis Vacek, directeur du programme Simulation. Nous rencontrons les mêmes stratégies multiéchelles et les mêmes problématiques
de systèmes multiphysiques, avec de la thermodynamique, de l’hydrodynamique, de la chimie… et de la physique atomique et nucléaire. »

La très grande variété des phénomènes impliqués oblige à choisir le bon niveau de découpage temporel et spatial pour les décrire. Plus une simulation est précise, plus elle demande du temps et de la ressource en calcul.

À la direction des applications militaires du CEA, l’usage du calcul pour la défense n’est pas récent. Dès les années 1960, il permettait d’anticiper les résultats des essais nucléaires et de les calibrer. Mais les simulations d’aujourd’hui n’ont rien à voir avec celles des débuts ni avec celles de demain. 

« Les phénomènes physiques restent identiques, mais notre compréhension et l’échelle de finesse à laquelle nous pouvons les appréhender ont incroyablement évolué », abonde le responsable.

Se confronter au réel

Mais la simulation ne fait pas tout. Le programme repose sur le réel grâce à la validation expérimentale. « Les moyens expérimentaux servent à recaler et affiner les modèles, explique Denis Vacek. Ils sont aussi utiles pour former les équipes et les
confronter au réel. » Les étapes clés de fonctionnement d’une tête nucléaire sont reproduites séparément et à des échelles réduites
au sein des deux grands instruments, Epure et le LMJ. 

Les expériences de physique menées permettent une validation par partie ,le juge de paix de la simulation étant la confrontation aux données issues des essais nucléaires.

Référentiel indispensable et irremplaçable ,les résultats des essais nucléaires français constituent une base de données vivantes,
qui sont interrogées et réinterprétées, notamment avec des outils de modélisation 3D. Il est même possible de récolter de nouvelles
informations à partir d’anciens enregistrements : par exemple, ce que l’on pensait être du bruit peut devenir une information
exploitable grâce aux progrès en traitement de signal ou à de nouvelles interprétations physiques des experts.
Ces données passées servent également d’outil de formation pour les concepteurs d’armes. Une telle formation dure plus de dix ans, et se réalise en compagnonnage avec des experts, dont certains ont connu les essais. « La pérennité de la dissuasion passe par la pérennité des savoirs et des savoir-faire, l’enjeu RH est donc important, reconnaît le directeur du programme. Au sein de la Direction des applications militaires, nous travaillons beaucoup sur la capitalisation et l’exploitation des connaissances et des données. »

Enfin, si la conception et la garantie de la charge nucléaire restent au coeur des travaux, le programme Simulation a intégré d’autres
aspects : la mécanique du vol et la rentrée atmosphérique ; la furtivité, avec des questions d’électromagnétisme et de détection
infrarouge ; ou encore le durcissement de la tête nucléaire face aux défenses ennemies.

En trente ans d’existence, les installations expérimentales et les supercalculateurs ont aussi irrigué la recherche industrielle et académique. « Cette ouverture nous permet de prouver que nous menons des travaux de très haut niveau scientifique sans divulguer d’information classifiée, contribuant ainsi à notre crédibilité, et donc à notre dissuasion », conclut Denis Vacek.

Epure l'appareil photo 3D

À quoi sert l’installation ?

Grâce à la radiographie, Epure permet de caractériser, avec une haute précision, l’état et le comportement d’un matériau d’intérêt
(densité, vitesse, position des interfaces, etc.), dont le plutonium, dans les conditions thermodynamiques extrêmes rencontrées
lors de la première phase de fonctionnement d’une arme nucléaire.

Dans Epure, la matière, comprimée par des explosifs conventionnels, subit une très forte et rapide compression, laquelle conduirait au
déclenchement des réactions de fission dans une arme. On parle d’expériences« hydrodynamiques », car la matière se
comporte alors comme un fluide.
Deux types d’expériences peuvent être réalisées :

• à échelle 1, mais avec un matériau dit « fantôme » (non nucléaire) qui se comporte comme le plutonium en termes d’hydrodynamique ;
• à échelle très réduite avec une quantité de plutonium trop faible pour atteindre le seuil de criticité ; cette expérience ne provoque donc pas de dégagement d’énergie nucléaire, conformément aux engagements pris par la France vis-à-vis du Traité d’interdiction complète des essais nucléaires (TICE).

Le premier cas permet d’étudier les comportements à échelle réelle, mais sans les matériaux mis en oeuvre dans les armes, tandis que le deuxième renseigne sur les matériaux réels, mais à une échelle non
représentative.

Comment ça marche ?

Epure utilise la radiographie dite « éclair », qui permet de regarder des comportements ultrarapides d’un matériau extrêmement dense, un peu comme un photographe saisit le mouvement à l’aide d’une succession de clichés.

L’installation produit des flashs de rayons X hautement énergétiques, capables de traverser l’enceinte de confinement et la matière pendant sa phase de compression.
Cette dernière atteint des densités de l’ordre de plusieurs dizaines de grammes par cm³ et des vitesses de plusieurs kilomètres par seconde. Les flashs doivent être ultrabrefs, de l’ordre de quelques dizaines de nanosecondes – d’où le terme de radiographie
« éclair » – afin de fournir une image nette de l’expérience. Celle-ci ne dure en effet que quelques dizaines de microsecondes, soit mille fois moins qu’un battement de cils. En sortie, un détecteur de très
haute précision récupère le signal, analysé par les physiciens.
Afin de pouvoir mener des expériences sous différents angles et à différents temps, Epure comporte trois axes de radiographie
pleinement opérationnels depuis fin 2025. Résultat de plusieurs décennies de recherche et développement au CEA et chez nos homologues britanniques de l’AWE, ces machines radiographiques
font appel à des savoir-faire uniques tant pour leur conception que pour leur exploitation.

Le laser mégajoule (LMJ) : le labo de la fusion

À quoi sert l’installation ?

Équipement exceptionnel du programme Simulation, le LMJ, laser mégajoule, permet de recréer en laboratoire les niveaux de pression, de densité et de température rencontrés lors de la phase de fusion thermonucléaire des armes ou encore au coeur des étoiles. Le LMJ est l’une des deux seules installations de ce type au monde, l’autre étant le National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis.

Mis en service en 2014, le LMJ a vu sa configuration évoluer au fur et à mesure du montage de ses chaînes laser, offrant l'opportunité de réaliser des expériences de plus en plus représentatives. La première
expérience de fusion au LMJ a eu lieu en octobre 2019. De nombreuses campagnes d’expériences de physique des armes se sont succédé et, depuis décembre 2025, toutes les chaînes laser sont montées. Cette complétude ouvre la voie à des expériences
utilisant la pleine capacité de cette installation majeure.

Comment ça marche ?

Quatre halls, situés de part et d’autre de la chambre d’expérience sphérique de 10 mètres de diamètre, abritent des chaînes laser qui vont amplifier l’énergie de 176 faisceaux, dont la lumière est ensuite convertie de l’infrarouge à l’ultraviolet grâce à un cristal. Dirigés vers la chambre d’expérience, les faisceaux sont focalisés sur la cible expérimentale, positionnée au centre de la sphère.

Cette cible, petit cylindre de taille millimétrique, est le centre de toutes les attentions. Les faisceaux laser pénètrent dans sa cavité et viennent impacter ses parois intérieures en or. Ainsi ionisées, ces dernières émettent le rayonnement X nécessaire à l’expérience. 

Selon la nature de l’expérience à réaliser, ce rayonnement est utilisé pour solliciter un échantillon. Dans le cas d’une expérience de
fusion, il s’agit d’une petite capsule de deutérium et de tritium pas plus grosse qu’une tête d’épingle. Cette capsule, illuminée par le rayonnement, implose et se comprime jusqu’à atteindre les conditions de température et de pression nécessaires pour enclencher les réactions de fusion. Tout autour, une quinzaine d’instruments de haute précision sont à l’affût pour enregistrer les mesures et les comparer aux prévisions issues de la simulation numérique.

Si chaque étape, de l’absorption des faisceaux laser jusqu’à la phase de fusion nucléaire, ne dure que quelques milliardièmes de seconde, presque trois ans sont nécessaires pour préparer une telle campagne d’expériences. Le processus fait appel à des compétences et des métiers très variés : simulation numérique, physique des plasmas, optique, chimie des matériaux, microtechnologie, instrumentation et mesure, traitement d’images…