Le Laser Megajoule de simulation nucléaire opérationnel

Le Laser Mégajoule (LMJ) est une installation majeure du programme Simulation servant à étudier à petite échelle les conditions extrêmes atteintes lors du fonctionnement nucléaire des armes. Le LMJ est dimensionné pour délivrer sur une cible de quelques millimètres, en quelques milliardièmes de seconde, une énergie lumineuse supérieure à 1 million de joules.

"Je suis particulièrement fier que notre pays, nos ingénieurs, nos techniciens, nos industriels aient su réaliser un tel système. Même si la Chine et la Russie viennent de s’attaquer à ce défi, seuls la France, les Etats-Unis ont pour l’instant réussi à construire un tel laser", a précisé Manuel Valls dans un discours prononcé à l’issue de sa visite sur le site du CEA (Commissariat à l’énergie atomique) accueillant le Laser Megajoule.

Après l’arrêt définitif des essais nucléaires, la garantie du fonctionnement et de la sûreté des armes constituant la dissuasion française doit être apportée, pendant toute leur durée de vie, par la simulation. Pour ce faire, deux conditions doivent être satisfaites. D’une par, posséder des logiciels de calcul scientifiquement rigoureux, prenant en compte des modèles physiques validés en laboratoires et d’autre part, disposer d’équipes de physiciens qualifiés pour utiliser ces logiciels.

Le Laser Mégajoule (LMJ) est un grand système, reposant sur l’« assemblage » de composants optiques : miroirs, lentilles, réseaux… destiné à transporter et à amplifier de l’énergie sous forme de lumière, pour la concentrer sur une microcible de deux millimètres.

Au cœur de cette microcible, on pourra ainsi atteindre des conditions extrêmes de température et de pression, proches de celles rencontrées lors du fonctionnement des armes nucléaires. Diverses expériences permettront de valider par partie les logiciels simulant le fonctionnement nucléaire d’une arme. L’expérience clé pour le LMJ est celle qui conduira à la fusion thermonucléaire, en mettant en jeu dans la cible une très faible masse (quelques microgrammes) d’isotopes de l’hydrogène (Deuterium et Tritium).

1. La chaîne laser du LMJ

L’objectif de la chaîne laser est de produire de la lumière laser (pilote), de l’amplifier (chaîne amplificatrice) puis de la focaliser (fin de chaîne) dans la chambre d’expériences.

– Le pilote délivre l’impulsion lumineuse initiale qui sera amplifiée dans la chaîne. Il a pour rôle de générer le faisceau, de lui donner sa forme temporelle et spatiale ainsi que sa fréquence (« sa couleur ») et de permettre la synchronisation de tous les faisceaux. A la sortie du pilote le faisceau laser a une section carrée de 40 mm de côté, son énergie est faible (de l’ordre du joule) et sa durée brève (quelques milliardièmes de seconde).

– La chaîne amplificatrice : L’impulsion initiale sortie du pilote doit être fortement amplifiée (de l’ordre de 20 000 fois), afin d’obtenir l’énergie nécessaire aux expériences. C’est le rôle de la chaîne amplificatrice, également appelée section amplificatrice ou chaîne de puissance.

Le LMJ est dimensionné pour accueillir jusqu’à 240 faisceaux groupés en 30 chaînes de 8 faisceaux. Ils prendront place dans quatre halls lasers disposés de part et d’autre du hall d’expériences.

Compte-tenu des performances obtenues sur la LIL, supérieures à celles spécifiées, l’énergie nécessaire pour réaliser les expériences pourra être obtenue par 176 faisceaux groupés en 22 chaînes. Dans un premier temps, c’est cette configuration qui sera montée.

Afin d’acquérir son énergie, le faisceau parcourt quatre fois la chaîne amplificatrice. Ce principe a pour avantage d’extraire le maximum d’énergie des amplificateurs et de réduire les dimensions de la section amplificatrice (et donc son coût de fabrication).

– La fin de chaîne : Les faisceaux, après amplification, sont transportés vers la salle d’expériences. Chaque faisceau est orienté par un jeu de six miroirs successifs qui permettent de passer d’une configuration avec faisceaux parallèles dans les halls laser à des faisceaux convergeant tout autour de la chambre d’expériences.

Le faisceau traverse ensuite un système de conversion de fréquence et de focalisation, à l’intérieur duquel sa fréquence passe de l’infrarouge à l’ultraviolet, pour une meilleure utilisation lors des expériences de physique.

2. La chambre d’expériences

Au bout de leur parcours, dans le hall d’expériences, les faisceaux sont focalisés vers la cible placée au centre de la chambre d’expériences.

La chambre est une sphère en aluminium de 10 mètres de diamètre pesant environ 140 tonnes. Assemblée et soudée sur le site du chantier, elle a été introduite dans le bâtiment LMJ et mise en place sur son piédestal, au centre du hall d’expériences en novembre 2006. Sous vide (un milliardième de la pression atmosphérique y règne), la chambre d’expériences abrite la cible et supporte de nombreux instruments de diagnostics permettant de mesurer les caractéristiques des plasmas au cours des expériences (spectres, neutrons, températures, densités…).

3. La cible

Certaines cibles seront utilisées pour les expériences de fusion par confinement inertiel. Les autres (plusieurs centaines), de formes variées, sont destinées à étudier des processus physiques et des matériaux dans des conditions extrêmes.

A chaque expérience, sa cible. Il en existe donc de nombreux types réalisés avec des géométries et des matériaux spécifiques.

Les technologies nécessaires à leur développement et à leur fabrication relèvent d’un compromis entre les micro-technologies, les nanotechnologies et la physico-chimie des matériaux. Elles seront utilisées au CEA qui maîtrise ces technologies.