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L'Usine Aéro

Des technologies hors normes pour le laser Mégajoule

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Publié le

Le 29 janvier 1996, le président de la République, Jacques Chirac, annonce la fin des essais nucléaires par la France.

Des technologies hors normes pour le laser Mégajoule
Thales Seso a conçu cette machine de polissage double face pour la production d’optiques de grandes tailles.

Le 23 octobre 2014, le Premier ministre, Manuel Valls, inaugure sur le site du Barp (Gironde) le laser mégajoule (LMJ). Ce dernier va reproduire ce qui se passe dans une arme nucléaire, et devra, couplé avec la simulation numérique, se substituer aux essais pour assurer la fiabilité de la dissuasion française. Entre ces deux dates, presque deux décennies de R & D, pendant lesquelles des technologies en optique, électronique, mécanique… ont dû repousser leurs limites. Des techniques de fabrication innovantes ont été mises au point par les industriels partenaires du projet. Et des usines ont été créées pour fabriquer dans des conditions optimales les composants du LMJ. De l’impulsion laser initiale jusqu’à la cible millimétrique où se déclenche la réaction de fusion nucléaire, tout, ou presque, était à inventer.
 

Une source pure

Au point de départ des faisceaux laser qui déclencheront une fusion nucléaire, il y a… une source. Soit un petit laser qui produit des impulsions très peu énergétiques (1 milliardième de joule), mais dont les caractéristiques sont extrêmement contrôlées. Sa longueur d’onde est très précise (1 053 nm). Et toutes ses propriétés (forme du faisceau, durée de l’impulsion…) sont définies et calculées pour anticiper les déformations que le faisceau subira au long de la chaîne, afin que les performances visées soient atteintes en arrivant sur la cible. « La source laser est équipée d’un système de diagnostic, qui permet de garantir les caractéristiques du faisceau avant de laisser partir l’impulsion dans la chaîne et d’éviter tout risque d’endommagement », explique Patrick Le Boudec, le PDG d’Idil, qui fournit les quatre sources laser du LMJ. C’est à partir de ces sources que sont créés 176 faisceaux, aussitôt pré-amplifiés à 1 joule par un module fourni par Quantel. Pour Idil, une PME de 28 personnes, le défi était aussi de s’intégrer dans le projet industriel du LMJ. Savoir faire dialoguer ses sources laser avec le logiciel de contrôle commande fourni par Codra (il surveillera plus d’un million de variables). Mais aussi assurer le suivi et la documentation dans un projet géré selon des normes de type aéronautique… Cela en valait la peine : le LMJ représente 15 % de l’activité d’Idil, et le savoir-faire acquis lui a ouvert les portes de grands projets d’instruments scientifiques, comme le European X-ray free electron laser (E-XFel), un laser à rayons X en construction près de Hambourg.
 

De l’énergie 20 000 fois amplifiée

Gigantisme, technologies de pointe et propreté sont les ingrédients indispensables pour amplifier les 176 faisceaux laser qui produiront l’énergie nécessaire aux expériences. Pour chaque chaîne laser (22 chaînes de huit faisceaux chacune sont prévues), un « tunnel » d’amplification, réalisé chez Cilas, est parcouru quatre fois pour en tirer le maximum d’énergie. Dans chaque tunnel, une succession de plaques de verre laser (dopé au néodyme) éclairées par des lampes flash. Thales fournit l’électronique de puissance qui commande ces lampes en une fraction de milliseconde. Les 3 000 plaques de verre laser du LMJ ont été fabriquées dans une usine dédiée à cette production. Installée aux États-Unis, elle était partagée avec le projet de laser américain similaire, le National ignition facility (NIF). Rien de standard, en fait, sur le parcours des faisceaux laser. Mais deux composants au moins, ayant pour fonction de garantir la qualité du faisceau qui sortira de l’amplification, méritent attention.
 

À une extrémité du tunnel, un miroir fourni par Alsyom (groupe Alcen) permet au faisceau de faire ses allers-retours et de corriger les déformations du front d’onde. Un miroir adaptatif, qui se déforme grâce à des micro-actionneurs conçus par ISP System. « À partir des études pour le LMJ, nous avons constitué un catalogue et nous livrons maintenant des produits pour de grands lasers partout dans le monde », se félicite Paul Sauvageot, le PDG de la PME des Hautes-Pyrénées, qui fournit aussi une bonne part des actionneurs de précisions du LMJ. À côté du miroir, un autre composant sophistiqué : la cellule de Pockels. « Un organe de sécurité », résume Franck Poirier, le PDG de Sodern, la filiale d’Airbus qui fabrique la cellule. Une sorte d’« interrupteur » qui coupe une partie de l’onde quand elle risque d’endommager les optiques. Mais un interrupteur qui fonctionne en une nanoseconde… Le composant clé est un grand cristal, commandé par une haute tension électrique synchronisée avec le laser. Pour avoir une idée de sa complexité, il suffit de savoir qu’il a fallu environ un an pour fabriquer la première cellule…
 

Quant à la propreté, c’est simple, elle est partout. Toujours pour le même motif : la moindre poussière fait courir des risques à l’installation. Dans les halls laser, bien sûr, dont l’atmosphère est contrôlée. L’air y est renouvelé neuf fois par heure et la température régulée à 0,5 °C près. Mais l’obsession de la propreté commence bien avant. Dans l’usine de Cilas, construite spécialement à côté du LMJ, tous les composants d’un amplificateur, la structure métallique du tunnel – de la taille d’un bus –, les plaques de verre et jusqu’à la moindre vis ou rondelle, passent en machine à laver avant d’entrer dans les salles blanches d’assemblage. Chez son voisin Alsyom, responsable des grandes structures mécaniques qui supportent les composants, l’intégration après lavage a lieu dans une grande salle propre de 4 000 m2. Pour livrer leur unique client, les deux sites partagent un véhicule propre, véritable salle blanche sur roues qui permet de conserver la propreté jusqu’à l’installation dans les halls du LMJ.
 

176 faisceaux focalisés sur 1 mm

C’est la phase de distribution. Les 176 faisceaux amplifiés sont transportés et redirigés tout autour de la chambre d’expériences, qui a la forme d’une sphère. Des jeux de miroirs (aujourd’hui fabriqués aux États-Unis) font ce travail. Pour les supporter, une structure mécanique de très grande stabilité, insensible aux vibrations qui pourraient perturber l’alignement de la chaîne laser, a été réalisée par Seiv (groupe Alcen). Depuis, la PME a livré des supports de miroirs pour le projet roumain de super-laser ELI. « On est devenu exportateur grâce au LMJ », reconnaît Patrice Daste, le PDG de Seiv. La Cnim a pour sa part réalisé des systèmes motorisés de positionnement des optiques : des masses de deux tonnes à déplacer au micron près…

Dernières étapes avant d’entrer dans la sphère d’expériences : la conversion de fréquences de l’infrarouge à l’ultraviolet, qui interagit mieux avec la cible, par un cristal de KDP fabriqué chez Saint-Gobain ; et la focalisation, qui réduit un faisceau de 40 cm de côté à… moins d’un millimètre en arrivant sur la cible.
 

La fusion scrutée à la loupe

Avec son allure de machine à voyager dans le temps, la sphère d’expériences vers laquelle convergent les faisceaux est aussi un concentré de technologies. Tout comme le hall d’expériences, qui accueille la sphère de 10 mètres de diamètre. Malgré ses 38 mètres de hauteur, le hall est plein « comme un sous-marin », selon l’expression de Bernard Ponsot, le directeur des grands projets chez Cnim, maître d’œuvre des équipements du hall d’expériences. Une image qui n’arrive pas par hasard : Cnim, fournisseur pour la défense, a travaillé sur des systèmes de lancement de missiles de sous-marins… Elle traduit aussi la complexité de l’installation et de l’intégration de ses 10 000 pièces fournies par 25 partenaires. Des robots de manutention ont même été conçus spécialement pour manipuler des charges de plusieurs tonnes dans un espace très exigu.
 

Au centre du hall, la sphère, fabriquée par Cegelec. Une paroi de 10 cm d’aluminium et 20 cm de béton dopé au bore, pour absorber les neutrons. Et au centre de la sphère – pendant les expériences – la cible. Une microbille contenant un mélange de deutérium et de tritium, placée dans un conteneur de deux millimètres. La sphère est bardée de systèmes mécaniques et optiques pour positionner la cible et aligner les lasers. Et d’instruments pour observer et mesurer ce qui se passe pendant l’expérience. Bertin, filiale de Cnim, a fourni le système de positionnement des cibles. Des bras télescopiques de plusieurs mètres, qui assurent une précision d’une dizaine de microns… Quant aux cibles, elles relèvent de la direction des applications militaires du Commissariat à l’énergie atomique (CEA-DAM). Plusieurs dizaines de types de cibles sont prévues, selon les expériences réalisées. Elles sont fabriquées au centre du CEA de Valduc (Côte-d’Or), spécialisé dans les matériaux nucléaires.
 

En régime de croisière, le LMJ est dimensionné pour réaliser de 50 à 200 expériences par an (soit au maximum une par jour), ce qui correspond au cahier des charges fixé par les armées. Mais un peu de place sera ménagée à Petal, un faisceau laser de forte puissance (plusieurs petawatts), installé dans l’un des halls du LMJ, et qui partagera sa sphère d’expériences. Les impulsions de Petal, ultracourtes et 100 fois plus puissantes que celles du laser mégajoule, seront destinées à la recherche scientifique. Son démarrage est prévu à la fin de 2015.  

T. L.

Les États-Unis, la Russie et la Chine en course


Avec cinq ans d’avance sur le laser mégajoule (LMJ), les américains du National ignition facility (NIF) ont démarré le leur : 192 faisceaux qui produisent 2 millions de joules sur la cible. Le principe est quasi identique à celui du laser français, avec le même objectif de fiabilisation des armes nucléaires. Mais les Américains ont dû attendre 2013 pour que des expériences montrent la voie vers la réalisation d’une fusion nucléaire. La Russie, de son côté, a lancé son projet et cherche des industriels (y compris français) pour le construire. La Chine, enfin, prévoit de mettre en route son laser de fusion, baptisé Divine light, en 2020. Ces projets conçus pour la dissuasion sont aussi censés préparer une future production d’énergie par fusion. La production d’énergie est en revanche au cœur du projet européen HiPER qui compte sur les résultats du NIF et du LMJ pour progresser plus vite. 

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C’est le nombre d’optiques de grandes dimensions qui seront nécessaires au laser mégajoule (LMJ), en première monte. Des lentilles carrées de 40 cm de côté : tous les fabricants d’optiques ne savent pas faire ça ! Le LMJ et son confrère américain, le NIF, ont poussé quelques spécialistes à développer des technologies. Thales Seso a conçu les équipements de polissage en série pour réaliser au moins 2 000 de ces grandes optiques. Le moindre défaut de surface, sous l’effet du puissant faisceau laser, peut conduire à des dégradations obligeant à changer le composant. Thales partage le marché avec deux fabricants américains. Par ailleurs, un atelier de la société Seiv, installé à proximité du LMJ, se consacre au traitement antireflet de milliers d’optiques, par un procédé sol-gel mis au point au CEA. 

Le principe du laser mégajoule

 

Vingt-deux chaînes d’amplification, réparties dans quatre halls (un seul est ici représenté), convergent vers la sphère d’expériences. Au centre de la sphère : une microcible de 2 millimètres, qui contient quelques microgrammes de deutérium et de tritium. Les faisceaux laser y créent une température et une pression extrêmes (100 millions de degrés et 10 000 fois la pression atmosphérique), qui déclenchent une réaction de fusion nucléaire.

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