Laser Mégajoule

L'entrée en service initialement prévue en octobre 2011 a été reportée à 2014 à la suite d'économies budgétaires. Le LMJ est finalement inauguré le 23 octobre 2014[1]. Cependant la totalité des faisceaux lasers ne sont pas encore disponibles pour les expériences LMJ et continuent d'être installés.

La première expérience a eu lieu le 2 décembre 2014 avec huit faisceaux. En 2015, il est prévu d'effectuer entre 50 et 100 tirs par an. Par la suite, le régime de « croisière » est envisagé à 200 par an, dont 20 % seront destinés à la recherche civile[2]. En 2017, les tirs passent à seize faisceaux et cette année marque la première expérience LMJ/PETAL destinée à la recherche académique. En octobre 2019, la première expérience de fusion[3] est réalisée avec 48 faisceaux. En 2020, 80 faisceaux étaient montés[4].

Le Laser Mégajoule (LMJ) est le projet de laser le plus énergétique du monde[5], mené par la Direction des applications militaires du Commissariat à l'Énergie atomique et aux Énergies alternatives (CEA) français. Cette Direction avait dans le passé disposé d'un autre laser, Phébus, en service de 1985 à 1999 dans son centre de Limeil-Brévannes.

Le chantier est commencé en 2002 et la mise en service, initialement prévue pour la fin de l'année 2011, a été reportée à 2013, puis 2014[6]. Le bâtiment fait 300 m de long, 150 m de large et 35 m[7] de hauteur hors sol[8]. Un prototype du LMJ, la Ligne d'Intégration Laser était déjà fonctionnel.

L'objectif est de pouvoir déposer une énergie de 1,8 MJ sur une cible minuscule, grâce à 170 faisceaux convergents[9], mais dans un laps de temps relativement long par rapport à d'autres dispositifs (ce qui explique que l'on batte des records d'énergie et pas de puissance). Par comparaison, le laser Phébus ne disposait que de deux faisceaux, et délivrait une énergie de l'ordre de 10 à 20 kJ.

La cible est composée de 0,40 mg de deutérium et de 0,60 mg de tritium et la quantité d'énergie apportée sera suffisante pour provoquer la fusion nucléaire de ces deux isotopes d'hydrogène. Ces expérimentations sont réalisées afin de pouvoir étudier et valider les simulations des processus physiques mis en œuvre dans l'étape finale du fonctionnement d'une arme nucléaire, et font partie du programme Simulation mis en place par le CEA pour développer et pérenniser les armes de la force de dissuasion.

Le 29 novembre 2006, la sphère de 140 t, à l'intérieur de laquelle auront lieu notamment des opérations de fusion thermonucléaire, a été installée à son emplacement définitif, au cœur du hall d'expériences qui occupe le centre de l'édifice[10].

Le LMJ a été mis en service fin 2014, avec huit faisceaux[11], c'est-à-dire une énergie théorique de 60 kJ, à comparer aux 1 800 kJ du projet initial.

En octobre 2019, la direction des applications militaires du CEA a réalisé la première expérience de fusion nucléaire au laser mégajoule. Quarante-huit faisceaux laser ont été mis en œuvre simultanément pendant trois milliardièmes de seconde sur une micro-cible pour réussir la première expérience de fusion nucléaire au laser mégajoules. Cette micro-cible était composée d'une cavité en or contenant une bille remplie de deutérium. Le laser chauffe les parois en or qui se détendent en émettant un rayonnement X. En absorbant ce rayonnement les couches externes de la bille chauffent et se détendent à leur tour ce qui entraîne la compression brutale du deutérium par contre-réaction [3].

Les spécifications initiales sont les suivantes : le bâtiment mesure plus de 300 m et abrite les 22 chaînes lasers de huit faisceaux chacune, soit 176 faisceaux qui convergent vers une cible de 2,4 mm de diamètre après avoir traversé 4 320 plaques de verre. Chacune des chaînes lasers mesure 125 m. Le hall d'expérience abrite une sphère de 10 m de diamètre, pesant 140 t et percée de 112 ouvertures permettant de positionner 52 instruments de mesure (spectres lumineux, neutrons, températures, densités, etc.) et de laisser passer les 176 faisceaux (par groupe de 4). La précision des faisceaux devra être de 50 µm[9]. La cible pourra atteindre une température de 100 à 200 millions de kelvins et une pression de l'ordre de 1 Tbar[9]

Hohlraum en or utilisé comme cible dans le National Ignition Facility, similaire à celui utilisé dans le Laser Mégajoule.

Le Laser Mégajoule utilise la technique du confinement inertiel par laser pour amorcer une réaction de fusion nucléaire au sein d'une capsule de combustible de fusion (généralement deutérium et tritium). Il présente cependant certaines caractéristiques particulières :

• la longueur d'onde des lasers est convertie en cours de parcours grâce à des cristaux de KDP (dihydrogénophosphate de potassium) de 1 053 nm (proche infrarouge) à 351 nm (proche ultraviolet), ce qui permet d'obtenir une concentration d'énergie plus efficace sur la cible (ce qui fut démontré dans les années 1980). Les cristaux permettent de convertir 50 % de l'énergie laser dans l'harmonique de niveau 3, grâce à un couplage non linéaire d'ondes[14].
• la technique utilisée est dite d'attaque indirecte : c'est une cavité métallique, généralement en or (« hohlraum »), entourant la capsule de combustible, qui sert de cible aux faisceaux laser ; l'énergie calorifique ainsi déposée entraîne la création d'un rayonnement X, le but recherché étant de chauffer la capsule de façon plus homogène que si elle était irradiée directement par les lasers. Pour cela, les impulsions lasers durent 20 ns (avec un maximum de puissance pendant 3 à 5 ns), avec une précision de synchronisation de 15 ps et un point focal de 600 × 1 200 µm.

Ces deux opérations entraînant des pertes de rendement importantes, l'énergie effectivement reçue par la capsule de combustible est nettement inférieure aux 1,8 MJ d'énergie nominale déclarée.

Source[9].
Le Laser Mégajoule a été conçu pour valider les simulations d'essais nucléaires, cependant il va profiter à de nombreux domaines tels que :

• la production d'énergie par fusion : tout comme le projet ITER, un des buts du LMJ est de parvenir à produire de l'énergie grâce à la fusion. Cependant la méthode employée est la fusion par confinement inertiel à allumage rapide (et non par confinement magnétique). Pour cela, le LMJ devra comprimer une cible DT durant quelques nanosecondes, et un laser picoseconde supplémentaire allumera la réaction de fusion en générant une impulsion de 3 kJ. Ce laser à impulsion courte est dénommé « Petal » (Pétawatt Aquitaine Laser) ;
• l'astrophysique expérimentale, pour laquelle les lasers à haute énergie permettent de recréer des environnements extrêmes tels que des plasmas similaires à ceux présents à l'intérieur d'étoiles ou de planètes :

« En raison de leurs capacités à concentrer rapidement une énergie élevée dans un petit volume de matière, les lasers du LMJ sont en mesure d’exercer des pressions comparables à celles qui règnent à l’intérieur des planètes, offrant ainsi la possibilité de les étudier dans ces conditions extrêmes » – Jean-Pierre Chièze, astrophysicien du CEA à Saclay. En effet, ces lasers sont capables d'accélérer des plasmas à plusieurs kilomètres par seconde, permettant de modéliser des phénomènes tels que les supernovas ;

• la recherche médicale : les lasers à hautes énergie peuvent arracher des électrons en traversant un gaz, entrainant avec eux des ions et des protons. Ces particules sont utiles en protonthérapie car elles seraient susceptibles de traiter plus efficacement les tumeurs cancéreuses.

Torii, symbole de paix japonais érigé devant le site du Laser Mégajoule.

Les mouvements pacifiste et antinucléaire s'opposent à la construction du Laser Mégajoule ou, pour certains, demandent à ce qu'il soit « civilisé », c'est-à-dire exclusivement consacré à la recherche civile et non à la mise au point d'armes nucléaires. Une association a été créée, Négajoule.

Le 31 mars 1996, d'après le quotidien L'Humanité, plus de trois mille personnes manifestent devant le site nucléaire du Cesta pour « un XXI^e siècle sans armes nucléaires, contre les essais réels ou simulés »[15].

À la fin de 2011, l'association pacifiste Négajoule est créée à la suite de la marche citoyenne du 6 août 2011 du Barp au Laser Mégajoule afin de célébrer le 66^e anniversaire des bombardements d'Hiroshima et de Nagasaki. L'évènement a regroupé des militants du collectif Anti-Nuke-léaire, de la coordination antinucléaire du Sud-Ouest et des associations Écologie Val de Leyre, Non au missile M51, Tchernoblaye et Stop Golfech.

Le 6 août 2012, les pacifistes de l'association Négajoule érigent un portique rouge dans le site du Laser mégajoule, inspiré des torii japonais, qui représente la lutte de militants anti-nucléaire contre le projet de Laser mégajoule[16]. Le monument en pin rose porte le mot Paix en français, japonais, anglais et gascon. Il était entouré de deux Ginkgo biloba, seule espèce végétale à avoir résisté aux radiations lors des bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki.

En mars 2013, les services du conseil général ont enlevé le torii[17].

Le 27 septembre 2014, le torii, symbole de paix, a été réimplanté devant le laser[18]. Dans la nuit du 4 au 5 novembre 2014, le torii a été vandalisé à la tronçonneuse. Une nouvelle plainte est déposée pour profanation de mémorial au nom du collectif Mégastop au Mégajoule[19].