Le laser Mégajoule

Olympiades de Physique
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Le Laser MegaJoule
LMJ
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Comment poursuivre les recherches nucléaires sans réaliser
d’explosions ?
L’ASSOMPTION
Lycée privé de Bordeaux
Victoire BRAULT
Adrien LAFFARGUE
Jade BERG
1
Sommaire
Introduction
I.
Le LASER
1. Origine du Laser
2. Fonctionnement d’un laser
II.
Le laser Mégajoule
1. La Ligne d’Intégration Laser
● Le prototype du LMJ
2. Le bâtiment du Laser MegaJoule
● Le lieu
● Les infrastructures
3. L’expérience au Laser MegaJoule
● La chaine laser
○ Le pilote
○ La section amplificatrice
○ La fin de chaîne
● La chambre d’expérience : fusion par confinement inertiel
○ La cible, dans laquelle se déroule la FCI
○ Energie libérée lors de cette réaction de fusion.
III.
Les applications du LASER
1. La lecture de disque compact : CD
2. La LASER en médecine
 le laser en chirurgie réfractive
 le laser dans le traitement de métastases cérébrales
o le principe de la fibre optique
o les patients concernés
o le déroulement de l’intervention
o les avantages de cette technique
o les enjeux de cette découverte
o les limites de cette innovation majeure
IV. Les applications civiles des grands équipements lasers
1. Les grands équipements laser et l’astrophysique
● La meilleure compréhension des supernovae et de l’énergie noire
● La création d’éléments lourds : le r-processus
● La relativité générale et les trous noirs
● La matière dans les structures internes des grosses planètes gazeuses
● Les caractéristiques des plasmas stellaires
2. La fusion par laser, un moyen de parvenir à une nouvelle énergie civile
● Pourquoi les centrales à fusion inertielle fonctionneront -elles selon le
principe de l’allumage rapide ?
● A quoi ressemblera une centrale nucléaire à fusion par laser ?
● Les grands avantages de la fusion civile par laser.
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Introduction :
Depuis le 24 septembre 1996, 71 pays dont 5 puissances nucléaires, signent à New
Yorkshire, le TICE : traité d'interdiction complète des essais nucléaires.
Après cet accord, les essais nucléaires en plein air étant interdit, les scientifiques français ont
cherché un moyen de poursuivre leurs recherches nucléaires sans réaliser d’explosion dans
l'environnement.
La réponse se situe dans le programme Simulation qui doit permettre de gérer, sans essai,
le vieillissement et le bon fonctionnement d’une arme nucléaire. C’est comme si il était demandé de
prévoir qu’une voiture fonctionne sans la faire démarrer, sans l’utiliser, sans faire de crash test etc...
de prouver qu’elle peut résister à des environnements spéciaux et à des intempéries extrêmes. En
ce qui concerne les essais nucléaires, des simulations sont réalisées par ordinateur, mais face à
l’interdiction d’essais nucléaires, on a dû trouver un autre moyen d’effectuer des “crash tests” : le
Laser MégaJoule.
C’est alors que le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives)
entre en jeu. Créée en 1945 par le Général De Gaulle, cette institution permet une avancée de la
recherche militaire sur l’arme et l’énergie nucléaire. La DAM (Direction des Applications Militaires) est
un département du CEA : il a pour rôle le développement, la fabrication, le montage, la maintenance
et le démantèlement des armes nucléaires. Il est à la base du lancement de programme Simulation
qui met en place le Laser MégaJoule (LMJ).
En 2003, après l’atteinte des objectifs technologiques prévus, la construction du LMJ est
lancée. Ses premiers tests sont prévus pour fin 2014.
L’objectif du LMJ est de recréer, en laboratoire, des conditions thermodynamiques
semblables à celles rencontrées lors du fonctionnement d’une arme nucléaire. Il permettra de
confronter les théoriciens et les concepteurs d’armes à fusion en vraie grandeur. Pour cela, des
logiciels de calculs doivent être très performants et utilisé par des scientifiques spécialisés. C’est en
effet le cas au Laser Megajoule avec notamment le logiciel AIRIX ou TERA, un super-calculateur.
Le premier objectif du LMJ est de fournir la maîtrise de la charge nucléaire. Son utilisation
doit permettre en particulier de valider des modèles fondamentaux et de réaliser des expériences
mettant en jeu l’enchainement et l’interconnexion de ces modèles.
L’expérience la plus représentative est celle conduisant à la combustion d’une micro-cible
contenant un mélange deutérium-tritium. Les phénomènes rencontrés dans cette expérience étant
de même nature que ceux intervenant dans les armes.
Le 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 micro-cible de deux millimètres. Au coeur de cette micro-cible, on pourra ainsi
atteindre des conditions extrêmes de température et de pression, proches de celles rencontrées lors
du fonctionnement des armes nucléaires. Diverses logiciels permettront de valider les experiences
simulant le fonctionnement nucléaire d’une arme. L’expérience clé pour le LMJ est celle qui conduira
à la fusion thermonucléaire par confinement interniel, en mettant en jeu dans la cible une très faible
masse d’isotopes de l’hydrogène ( Deutérium et Tritium)
Dans un premier temps, nous évoquerons l’origine et le fonctionnement d’un laser pour
ensuite étudier le fonctionnement du Laser Mégajoule. Enfin nous réfléchirons non seulement à
l’apport du laser dans divers domaines comme les nouvelles technologies ou la médecine mais nous
montrerons également les différents apport du LMJ pour d’autres recherches nucléaires civiles.
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I.Le LASER
1. Origine du Laser
Le LASER, acronyme de “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” qui veux
dire “Amplification de Lumière par Emission Stimulée de Rayonnement”, a été inventé dans les
années 60 par à Théodore Maiman grâce l’hypothèse émise en 1917 par Albert Einstein sur
l’émission stimulée. Le premier laser créé fonctionnait grâce au rubis qui était le milieu amplificateur.
Il existe différents types lasers : Laser à colorant, Laser à gaz, Laser chimique, Laser à fibre
et Laser à solide (comme celui du rubis vu au-dessus).
Les caractéristiques des Laser sont qu’ils ont la même fréquence, la même direction, le
même sens de propagation et sont en phase.
2. Fonctionnement d’un Laser
Avant tout, pour comprendre le fonctionnement d’un Laser, il faut se pencher sur les
changement d’état d’énergie des atomes. En effet la matière peut absorber ou émettre des
rayonnements électromagnétiques. Cela correspond à l’absorption ou l’émission de photons par les
atomes.
Le fonctionnement des Laser est similaire pour tous, il faut un milieu actif ou amplificateur,
une source d’énergie extérieur et deux miroir dont l’un semi-réflechissant. Prenons comme exemple
le Laser à rubis vu au-dessus :
- Le milieur amplificateur est le rubis.
- La source d’énergie extérieur est la lampe flash (donc une énergie lumineuse)
- Un miroir 100% réfléchissant et un miroir de sortie 95% réfléchissant pour que la lumière
puisse sortir de la cavité.
4
Les atomes contenu dans le rubis sont soumis à un rayonnement. Ce rayonnement est
apporté par une lampe flash. Les atomes se retrouvent alors dans un état excité E2. C’est ce que l’on
appelle le pompage optique.
Si cet atome est soumis à un rayonnement d’énergie E2- E1 = hν, il peut subir une désexcitation
stimulée du niveau E2 au niveau E1. Au cours de cette désexcitation il émet un photon d’énergie :
E2- E1 = hν.
On a donc deux photons émis simultanément et dans la même direction. ( Ils ont la même
fréquence, la même direction, le même sens de propagation et sont en phase.) : C’est l’émission
stimulée.
Pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’atomes, il faut faire en sorte
de placer un grand nombre d’atomes dans un état excité. On effectue une inversion de population
c’est à dire.
Le laser est un amplificateur de lumière constitué de deux miroirs. Ce dispositif permet au
photons de faire des aller-retour, ce qui entraîne un nombre important d’émission stimulée.
La cavité de Fabry-Pérot renferme le principe actif qui subit un pompage afin d’obtenir l’inversion de population
.
Un miroir semi-opaque permet aux photons de
passer sous forme de rayon une fois une
certaine énergie obtenue.
5
II. Le Laser Mégajoule : LMJ
1. La LIL : le prototype
La LIL est la Ligne d'Intégration Laser. C’est le prototype du Laser Mégajoule déjà opérationnel
depuis 2002.
La LIL comporte 1 chaîne laser contrairement au Laser Mégajoule qui en comporte 22.
Chaque chaîne est constituée de 8 faisceaux, répartis en 2 «quadruplets».
La chambre d’expérience sous vide mesure 4,5 mètres de diamètre et pèse 17 tonnes, contre 10
mètres de diamètre et 40 tonnes pour celle du LMJ.
2. Le Bâtiment
Le Laser Mégajoule a été construit au Barp entre Bordeaux et Arcachon. Les constructions ont
commencées en 2003 et sont toujours en cours.
Ce lieu a été choisit stratégiquement, pour des raisons de superficie, de stabilité du sol, ainsi que
dans la perspective d’une politique de décentralisation des centres de recherche sur Paris.
Le bâtiment du Laser Mégajoule mesure 35m de hauteur, pour 160m de largeur, et 300m de
longueur. Cette dernière est à peu près égale à la hauteur de la Tour Eiffel.
Le bâtiment se divise en quatre halls lasers et un hall d’expérience au centre de l’infrastructure.
Il comporte 22 chaînes amplificatrices, chacune destinée à 8 lasers ce qui donne un ensemble de
176 lasers qui convergent vers la cible.
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3. L’expérience au Laser Mégajoule
Le LASER délivré par le pilote va parcourir la chaine amplificatrice constituée de différents modules
permettant au laser d’atteindre les caractéristiques requises pour la fusion.

La chaîne laser
Une chaîne laser est constituée d’un pilote, d’une section amplificatrice, d’appareils de filtrage, et
de miroirs.
· Le pilote
Le LASER est tout d’abord émis par ce qu'on appelle un pilote présent dans chaque hall. Il délivre
l'impulsion lumineuse initiale sous la forme d’un faisceau (40mm de côté).
À la sortie de ce pilote, l’énergie du faisceau laser est faible (de l’ordre du joule) et sa durée est
brève (quelques milliardièmes de seconde). C’est un laser qui appartient au domaine de l’infrarouge
dont sa longueur d’onde est de 1053nm.
7
L’Amplification
·
Le laser va traverser la section amplificatrice quatre fois, ce qui va lui permettre de passer d’un
milliardième de Joule à 15 000J soit 10kJ.
Cette section est constituée de 18 plaques de verre dopées au néodyme de couleur rose. En
l’occurrence, cet ion sera excité par le flash de lampe au Xenon qui apportent l’énergie lumineuse
nécessaire à l’excitation des ion de néodyme . On va ainsi créer l’inversion de population.
·
Le Filtrage
Pour plus de précision, le laser va être filtré en supprimant le halo de lumière extérieur. Il en
résultera une répartition homogène, appelé gaussienne. (Voir schéma 2 ci-dessous)
Pour cela, le laser va d’abord être focalisé par une lentille de courte focale (voir schéma 1 cidessous) qui va lui permettre de se concentrer au centre d’un trou calibré (environ 100µm) pour filtrer
le faisceau laser.
f = 1mm
· Le miroir
Le LMJ est équipé de miroirs déformables M1 (dimension 40cm x 40cm), sur lesquels le faisceau
laser sera réfléchi plusieurs fois afin de repasser plusieurs fois dans les verre de Néodyme pour être
encore plus amplifié. Ils seront situés en fond de la cavité laser. Lors de cette réflexion du faisceau,
la surface du miroir, déformée grâce à 48 actionneurs fixés à l’arrière, corrigera les imperfections du
faisceau laser.
En effet, avant son arrivée sur le miroir (voir photo 1), des capteurs identifient les déformations du
front d’onde, qui n’est donc pas plat. Puis les capteurs envoient cette information aux 48 actionneurs
fixés à l’arrière du miroir. Ce miroir doté d’actionneurs va donc permettre d’obtenir un front d’onde
plat.
8
1
2
· La conversion de fréquence
Le KDP est un cristal de Potassium diDeutérium de Phosphate (KD2PO4). C’est le seul cristal
connu qui rend possible une découpe en lame de 40cm de côté et qui possède des propriétés nonlinéaires adaptées à la conversion de fréquence.
Ce cristal va en effet permettre tout d’abord de doubler l’énergie d’une partie des photons incidents .
En doublant l’énergie ( la fréquence) des photons émis on divise par deux leur longueur d’onde
d’après l’équation :
Puis les photons dont l’énergie a été doublé vont passer dans un tripleur de fréquence et on
récupère en sortie les photons de longeur d’onde 351 nm. le laser initialement monochromatique est
devenu trichromatique (Voir schéma 1).
Cristal de KDP
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· La diffraction par réseau
Grâce à un réseau qui diffracte les différentes radiations, donc les différentes longueurs d’onde,
seul l’Ultra-Violet va pouvoir être conservé (les autres sont déviés). C’est en effet ce qui se passe
dans les “nez” (le système d’entrée du faisceau laser dans la chambre d’expérience).
.
Nous avons voulu représenter cette expérience afin de mieux comprendre ce phénomène.
Après être passé dans le KDP, le laser devient trichromatique. En revanche, n’ayant pas de
KDP, nous avons directement utilisé une lumière blanche. Nous l’avons diffractée à l’aide d’un
réseau qui a décomposé la lumière. Puis, grâce à des prismes, nous avons isolé le violet.
Cette étape est très importante pour l’expérience du Laser Mégajoule. En effet, on utilise dès le
début de l’expérience l’infrarouge car c’est celui que les scientifiques savent le mieux manier,
amplifier et filtrer. En revanche, ce dernier ne permet pas d’émettre des rayons X au contact de l’or. Il
est donc primordial de le convertir en UV, même si une perte de 50% d’énergie est présente. De
plus, sa fréquence étant plus rapide, l’UV a plus de chance de heurter le noyau.

La chambre d’expérience : Fusion par Confinement Inertiel FCI
L'impulsion laser envoyée tout d’abord en infrarouge, d’une énergie d'un
milliardième de Joule est amplifiée, filtrée, convertie en ultraviolet pour
enfin, arriver dans la chambre d’expérience de 10 mètres de diamètre. Elle
pèse environ 140 tonnes et a été installée dans le bâtiment du LMJ en
novembre 2006.
La chambre d’expérience est située au centre du hall d’expérience qui
comporte tous les équipements de mise sous vide et de diagnostics
plasma, mais aussi des systèmes d’alignement et de porte-cibles
cryogéniques et non cryogéniques.
Le porte cible cryogénique porte la cible, tout en assurant la cryogénisation. Elle permet en
effet de refroidir le deutérium et le tritium afin qu’ils puissent être à l’état solide avant la fusion. Cela
permettra au laser de se cibler plus facilement sur les éléments. En effet, si ces derniers sont à l’état
liquide ou gazeux, le laser ne pourra pas les cibler avec précision.
Voici une photo de la chambre d’expérience avec le porte cible
cryogénique.
10
La chambre d’expérience est constituée d’une paroi intérieure de 10cm en aluminium et d’une
couche extérieure de 40cm de béton boré permettant de stopper les neutrons pour éviter les risques
de radioactivité.
La cible, dans laquelle se déroule la FCI
La cible est un micro ballon de 2,4mm de
diamètre contenant 300 microgrammes de deutérium
et tritium à l’état solide. Elle est recouverte d’un
ablateur, un matériau permettant de la contenir.
·
Elle est située dans une capsule tapissée d'or à l'intérieur, appelée “container”. En effet, l'or
est l’un des seuls matériaux assez dense et lourd qui permet d’obtenir l’émission de rayon X à partir
de rayon UV. C’est aussi le matériau le moins cher qui possède ces caractéristiques.
La fusion par confinement inertiel consiste donc à comprimer un mélange DT contenu dans une
capsule à une densité suffisante pour qu’il puisse s’enflammer et brûler plus vite qu’il ne se détend.
L’expérience de fusion par confinement inertiel au LMJ est une fusion par attaque indirecte
qui permet une compression plus homogène.
Pour mieux comprendre le phénomène de compression homogène, on peut, par exemple,
imaginer compresser dans une main un ballon remplit de sable. Avec la différente pression des
doigts, certaines parties du ballon vont plus se déformer. L’attaque indirecte permet donc d’éviter ces
défauts et d’attaquer en toute direction avec la même puissance.
Lorsque les rayons Ultraviolet arrivent dans le container, ils percutent la paroi en or en
émettant alors des rayons X qui compriment à une très forte pression le micro-ballon de deutérium et
de tritium. Cette pression va fortement augmenter la température du micro-ballon qui va passer de 255°C à plusieurs milliers de degrés, ce qui va transformer le cœur en plasma, phénomène à la base
de la fusion. (dt-hn)
Ici, la fusion nucléaire est produite à partir d’un noyau léger de deutérium qui fusionne
avec un noyau léger de tritium pour former un noyau lourd d’Hélium (ou particule alpha) ainsi qu’un
neutron fortement énergétique. Cette réaction produit une grande quantité l’énergie.
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Energie libérée lors de cette réaction de fusion.
Effectuons le calcul de l’énergie produite pas la réaction.
Données :
-1
c = 299 792 458 m.s (vitesse de la lumière)
23
NA=6,02.10 (constante d’Avogadro)
=
H +
H
-27
= 3,34358.10 + 5,00736.10-27
= 8,35094.10-27 kg
=
He +
n
-27
= 6,64466.10 + 1,67493.10-27
=8,31959.10-27 kg
Nous observons donc une perte de masse.
|∆
| =|
|
-27
|∆
| = |8,35094.10 - 8,31959.10-27|
|∆
| = |3,135.10-29 kg |
Elibérée=|∆
| x c2
Elibérée= 3,135.10-29 x 299 792 4582
Elibérée=2,818.10-12 J
Elibérée d’une mole de chaque
E
=E
x NA
E
= 2,818.10-12 x 6,02.1023
E
=1,696.1012 J
(Cela correspondrait à l’énergie produite par 84,81 tonnes de charbon.)
Nous allons alors nous intéresser à l’énergie libérée par 300 microgrammes de substance :
Pour
= 8,35094.10-27kg, on a ∆
=3,135.10-29 kg
Alors, pour
= 3.10-7kg, on aura ∆
=
= 1,12622052 . 10-9kg
Elibérée=|∆
| x c2
Elibérée= 101,2196515 MJ
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III. Les autres applications du LASER
1. Lecture des disques optiques
Les premiers supports numérique à haute capacité de stockage ont été créé en 1980 et
permettaient de stocker de la musique, mais aussi des données informatiques à l’origine des CDROM, qui coutait à l’époque 750€ ! Depuis 1997, le disque CD-RW a été créé, défini alors comme un
support circulaire recouvert d'une surface permettant d'enregistrer des informations sous forme
binaire sur des pistes concentriques.
Le principe de la lecture des disques optiques repose en effet sur les interférences entre les
faisceaux du laser réfléchis par les différentes zones du disque : des “creux” et des “bosses”. Ce
disque est mis en mouvement de rotation par un moteur autour d’un axe fixe.
Lorsque le faisceau laser (de longueur d’onde λ dans le vide) du lecteur
balaie la piste, la différence de marche entre deux rayons se réfléchissant
sur la piste entraîne l’apparition d’interférences.
Si le faisceau est entièrement sur un plat entre deux creux, la
différence de marche entre les deux rayons réfléchis est nulle. Les
interférences sont constructives et l’intensité lumineuse est maximale.
(Partie de gauche du schéma 2). Le signal capté par la photodiode est
alors converti en signal electrique codé par un “1” : La tension varie.Si le
rayon d’un faisceau se réfléchit dans un creux (dont la profondeur vaut
toujours λ/4) et si l’autre rayon se réfléchit sur un plat, la différence de
marche n’est pas nulle. Les interférences sont destructives et l’intensité
lumineuse est minimale. (Partie de droite du schéma 2). Le signal est alors
codé par un “0” : La tension reste stable.
Ces codes de 0 et de 1, systeme de numération informatique binaire,
sont alors traduits par un convertisseur numérique-analogique.
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2. Le LASER en médecine

le laser en chirurgie réfractive
Aujourd’hui, les nombreuses maladies optiques sont de plus en plus traitées par chirurgie afin
d’éviter soit le port de lunettes ou de lentilles dans le cas de pathologies qui rendent la vision floue
(presbytie, hypermétropie, myopie, astigmatisme, cataracte…)soit de limiter la perte de vision causée
par la DMLA(dégénérescence maculaire liée à l'âge), par un glaucome, une rhénitopathie ou une
maladie de la cornée.
. Le laser s’avère particulièrement bien adapté à cette alternative car l’oeil étant à la surface de
l’organisme, l’énergie des lasers peut être grandement minimisée.
Le laser est également utilisé en chirurgie dite réfractive, termes génériques qui désigne l’ensemble
des interventions qui ont pour but de corriger l’amétropie, c’est-à-dire : l’anomalie de la réfraction
oculaire (sur la rétine) perturbant la netteté de l'image rétinienne. C’est ainsi le phénomène de
l’amétropie qui est à l’origine de l’hypermétropie, de l’astigmatisme ou de la myopie. Ce type
particulier de chirugie est réalisée sur le cristallin ou dans la chambre intérieure (zone comprise
entre la cornée et le cristallin) on parle alors de chirurgie intraoculaire ou, réalisées directement sur la
cornée ou la sclérotique, on parle alors de chirurgie extraoculaire.
Quel laser est utilisé en chirurgie réfractive ?
Ce type d’intervention utilise exclusivement le laser excimer (ou à eximères) car ce type de laser
émet un rayonnement de forte puissance dans des faibles longueurs d’onde comme l’uv. En effet, les
photons situés dans ce domaine ondulatoire sont beaucoup plus énergétiques que ceux situés par
exemple dans l’infrarouge (800 à 20 000 nm) ou le visible (400 à 800 nm) selon l’équation :
Ep=h x C /λ
Ep : énergie d’un photon en Joules
h : nombre permettant de passer d’un état à l’autre de l’atome par émission ou absorption d’un ou
plusieurs photons d’énergie égale à la différence d’énergie entre les deux niveaux
λ: longueur d’onde du photon
C : célérité de la lumière
Le laser eximer est un type de laser ultraviolet qui est composé d’un composé dimère qui n'est stable
qu'à l'état excité et se dissocie à l'état fondamental. La dissociation de l'état fondamental l'empêche
d'absorber les photons émis par l'état excité. Donc les photons sont plus facilement multipliés, ce qui
donne des lasers efficaces. Le composé est un gaz rare éventuellement associé avec un halogène
('argon, krypton, xénon parfois mélangé avec du fluor, chlore, ou brome) Sous l'effet d'une
stimulation électrique se forme par exemple un excimère (Ar2* ou Kr2*) ou un exciplexe (ArF*,XeCl) ,
qui revient à son état fondamental en émettant un rayonnement laser de longueur d'onde
déterminée, dans le proche ultraviolet avec les exciplexes mais dans l'ultraviolet plus lointain avec
les excimères, la longueur d'onde étant d'autant plus courte que le gaz rare est léger et l'halogène,
lourd. Les lasers à excimère rompent des liaisons moléculaires en surface des matériaux organiques
conduisant à l'ablation de matière plutôt qu'à la brûlure ou la fusion, c’est pourquoi ils permettent
donc d'enlever de fines couches de matière en surface de façon très précise sans altération du reste
des tissus. C'est ce qui rend ces lasers si performants en chirurgie oculaire.
En chirurgie ophtalmique, le rayonnement excimère autorisé est induit par l'exiplexe ArF* et possède
une longueur d'onde de 193 nm.
En effet, du fait de leur forte énergie, les photons du laser excimer peuvent produire des effets
particuliers comme la photoablation (ablation d’un tissu ou de cellules par un rayonnement laser
photonique de haute énergie) de la cornée utilisée en chirurgie réfractive.
14
Quelles sont les différentes interventions utilisées pour corriger les défauts de la rétine à l’origine de
la myopie ou, au contraire, de l’hypermétropie ?
Le principe de ces différentes interventions est de modifier la forme de la cornée afin de compenser
une anomalie structurelle de la rétine. Pour cela, les chirurgiens agissent exclusivement sur le
stroma,couche inférieure de la cornée, et non sur l’épithélium, sa couche supérieure, car les cellules
se renouvelant sur cette dernière, l’opération n’aurait alors qu’un bénéfice à très court terme
contrairement au bénéfice à vie d’une modification appropriée du stroma.
On a d’abord, dès 1983, utilisé la technique de la photo-kératectomie réfractive ( PKR).
L’intervention se déroulait en deux temps : premièrement l’épithélium était enlevé à l’aide d’une
petite brosse, c’est ce que l’on appelle une ulcération centrale, lésion élémentaire en pathologie
dermatologique. Puis le laser excimer est directement appliqué sur le stroma. Soit il aplatit la partie
centrale de celui-ci pour corriger une myopie, soit il aplatit la périphérie du stroma pour bomber sa
partie centrale afin de corriger une hypermétropie. L’éphithélium se reforme en quelques jours,
pendant ce temps le patient est donc aveugle. De plus cette technique est très douloureuse et
comportait un nombre important de risques comme le haze qui se produit en cas de cicatrisation
anormale de la cornée entraînant une vision floue.
Le LASEK est une forme de PKR qui ne diffère que parce que dans ce cas, l’épithélium est soulevé,
et non détruit, à l’aide d’alcool ce qui limite faiblement les inconvénients cité ci-dessus. Le chirurgien
ayant laissé au préalable une charnière à la découpe de la cornée, l’épithélium est ensuite replacé
en fin d’intervention.
Le LASIK (Laser-Assisted In Situ Keratomileusis) a été créé pour éviter ces risques d’inflammation et
de douleur. En conséquence, c’est donc la technique la plus utilisée aujourd’hui (10 000 personnes
opérées par an en France) car la découpe de l’épithélium est beaucoup plus précise ce qui entraîne
une cicatrisation beaucoup plus courte et la possibilité de retrouver la vision dans la journée.
La découpe d’un “volet” d’environ 150 microns peut être réalisée de deux façons : par un
microkératome, sorte de micro-rabot très sophistiqué ou de façon plus récente par le laser
femtoseconde, laser émettant des impulsions ultra-courtes de l’ordre de 10^-15 seconde ce qui
permet d’obtenir un laser de haute puissance : on parle alors de lasik « tout laser ». Cette dernière
méthode devient aujourd'hui la technique de routine parce qu'elle est plus précise et surtout plus
sûre et la cicatrisation est encore plus rapide. En outre, le laser femtoseconde permet de découper
des lamelles plus fines que les microkératomes, donc d'économiser de l'épaisseur de cornée, et ainsi
d'opérer des patients aux cornées trop fines ou trop atypiques, récusées au microkératome (la
découpe au microkératome ne pouvant se faire qu’à partir d’une épaisseur minimale de la cornée de
500 microns)
Shéma représentant les principales étapes d’une chirurgie réfractive par LASIK :
15
Cette technique, bien qu’une avancée majeure par rapport au PKR, comporte différents risques:
-la panne : dans ce cas : l'opération est immédiatement annulée et reportée à quelques semaines
après la cicatrisation de la cornée. Le patient récupère assez vite la vision qu'il avait avant
l'opération.
-la correction approximative d’un oeil, c’est à dire qu’un oeil peut être trop ou pas assez corrigé ce
qui entraîne une vision floue de loin ou de près causée par certains problèmes de pression du
matériel (un laser pas été assez bien centré peut altérer la qualité de la vision)
- Les limites de la technique LASIK :
Certaines personnes présentent une instabilité réfractive à l’origine d’une évolution du degré
d’atteinte de la maladie optique. Ce phénomène peut être causé par une variation du taux
d’hormones. Or, il est impossible de pratiquer une intervention au laser avant que le degré de
correction à apporter soit stable. Les personnes ne pouvant bénéficier de ce type de traitement sont
donc :
- les patients de moins de 20 ans
- les individus atteints d’une maladie qui entraîne une variation des taux d’hormones (comme le
diabète)
- les femmes enceintes allaitant
- les personnes sous médicaments causant une instabilité réfractive.
D’autre part, après l'intervention, un faible pourcentage de personnes est victime de certains effets
indésirables (douleurs démangeaisons et brûlures oculaires, yeux secs par exemple). La technique
LASIK est également très récente il n’y a donc pas encore d’informations suffisamment fiables sur
les effets à long terme.
 le laser dans le traitement de métastases cérébrales
Le principe de la fibre optique :
La fibre optique est un guide d’onde qui exploite le principe de réflexion totale d’un rayon lumineux.
La réflexion totale d’un rayon lumineux (absence de rayon réfracté) apparaît au niveau d’une
interface entre deux milieux d’indices de réfraction différents, celui-ci dépendant à la fois de la
longueur d’onde de la radiation et du milieu. Pou cela il faut que l’angle d’incidence, c’est-à-dire
l’angle selon lequel le laser a été envoyé sur la paroi de la fibre optique, soit supérieur à une valeur
critique (dépendant des milieux considérés)
Shéma représentant l’angle pour lequel on obtient une réfléxion totale à l’interphase entre l’eau et
l’air
La fibre optique est ainsi composée d’un coeur : matériau dans lequel le rayon lumineux incident est
envoyé, entouré d’une gaine. Le coeur d’une fibre optique a un indice de réfraction plus élevé que
celui de la gaine : il confine donc, grâce au principe de réflexion totale, le rayon lumineux qui se
déplace en zigzag selon son réfléchissement interne démultiplié à l’interface ce qui explique que les
pertes d’énergie soient absentes ou négligeables.
Une fibre optique est définie selon deux paramètres :
16
-la différence d'indice normalisé, qui donne une mesure du saut d'indice de réfraction entre le cœur
et la gaine :
, où
est l'indice de réfraction du cœur, et
celui de la gaine.
-l'ouverture numérique de la fibre représentant le sinus de l'angle d'entrée maximal de la lumière
dans la fibre pour que la réflexion du rayon lumineux soit totale et donc la lumière puisse être guidée
sans perte. Ce sinus est mesuré par rapport à l'axe de la fibre. L'ouverture numérique donnée par
l’équation :
L’application de cette technique pour détruire des métastases cérébrales :
Ce principe de la fibre optique peut être utilisé dans de multiples applications médicales. Elle est
ainsi à l’origine du fibroscope, type d’endoscope, instrument technologique médical afin de véhiculer
l'image de la zone à explorer jusqu'à l'œil du médecin réalisant l'examen exploratoire ou d’une
alternative à la chimiothérapie classique d’une tumeur cérébrale.
En effet, à partir de 2006, une étude pilote a été réalisée par des neurochirurgiens, radiologues et
anesthésistes de l’hôpital de la Pitié-Salpêtrière afin de traiter des métastases du cerveau de 15
patients.
Quels sont les patients concernés ?
Ce sont des personnes ayant un cancer au stade métastatique (le plus souvent en récidive) c’est à
dire que les cellules cancéreuses d’origine ont envahi de nombreux tissus voisins jusqu’aux
vaisseaux sanguins. Une fois que celles-ci sont dans le sang, elles forment de nouveaux amas de
cellules mutées lorsque les vaisseaux sanguins ont un diamètre trop faibles c’est-à-dire au niveau
des capillaires donc dans d’autres organes tels les os, le foie, le cerveau : ces tumeurs malignes sont
appelées métastases…
Les patients qui ont été traités avaient des formes de cancers très différents (poumon et sein
notamment) et des métastases résistantes à toutes formes de traitements même très invasifs et
risqués ( chimiothérapie et radiothérapie classique, irradiation totale du cerveau, chirurgies lourdes
sous anesthésie générale car ils sont trop faibles). Leur espérance de vie ne dépassait pas trois
mois.
Quel est le déroulement de l’intervention ?
En premier lieu, les médecins localisent précisement la position des métastases grâce à l’IRM :
image par résonnement magnétique et l’enregistrent sur ordinateur.
Le traitement de métastases cérébrales par laser associe la technologie laser en intracrânien, c'està-dire le crâne totalement fermé, à un contrôle IRM pour éviter les dégâts collatéraux. Elle s’effectue
en trois minutes sous anesthésie locale : le patient est donc conscient mais n’éprouve aucune
douleur. Une fibre optique est insérée dans le cerveau du patient grâce à un trou créé dans sa boîte
crânienne de diamètre d’environ trois millimètre. Grâce au suivi de l’intervention par l’IRM en temps
réel, l’équipe soignante guide la fibre jusque dans les métastases et peut moduler la puissance du
laser selon les températures atteintes dans la zone traitée. Les ordinateurs s'activent et des
simulations sont lancées afin de vérifier que l'extrémité de la fibre est venue se positionner à
l'intérieur de la métastase.. Un rayon laser incident est alors envoyé dans la fibre optique avec un
angle d’incidence calculé pour qu’il permette une réflexion totale de la radiation. Le laser chauffe le
tissu tumoral pendant une à deux minutes jusqu’à sa nécrose. De plus la fibre optique est en
permanence refroidie à l’eau, ce qui évite la coagulation du sang à son contact et limite l’atteinte aux
tissus sains environnants.
17
Quels sont les avantages de l’opération ?
Tout d’abord, un traitement très bien toléré c’est-à-dire :
-une récupération du patient extrêmement rapide : le patient peut sortir en général 14 heures après
due au caractère très peu invasif de l’intervention (durée courte et anesthésie locale, opération
intracrânienne) .
-l’absence de douleur pendant et après l’opération. De plus, contrairement aux chirurgies
traditionnelles utilisées, le risque d’oedème cérébral et de troubles de comportements comme
l’épilepsie est négligeable.
Ensuite le traitement est très efficace : sur six malades dont toutes les tumeurs ont été intégralement
traitées, l'équipe fait état de cinq cas pour lesquels les métastases ont été complètement éliminées
sans que se manifeste de récidive neuf mois après le traitement.
Quel est l’enjeu d’une telle innovation ?
L’espoir est immense pour les patients cancéreux car environ 10 % d’entre eux sont résistants aux
traitements et environ un cinquième des personnes qui décèdent d'un cancer présentent des signes
de métastases cérébrales. De plus, les types de cancers qui ont le plus tendance à provoquer des
cellules métastatiques sont bien souvent les plus fréquents et les plus mortels comme le cancer du
sein ou les cancers broncho-pulmonaires dont 45% produisent des métastases cérébrales. Sans
compter que dans 15 à 20% des cas, le cancer à l'origine des métastases n'est pas retrouvé.
Quelles sont les limites du traitement ?
Ce n’est pas un traitement “miracle” dans la mesure où cette technique ne permet pas de
maîtriser l'origine du cancer, et détruit uniquement les métastases cérébrales. De plus elle est plus
invasive que le traitement de base : la radiothérapie car il y a nécessité de la création de l’orifice
dans la boite crânienne.
Il y a également une limite financière ; Les fonds institutionnels consacrés au programme de
recherche du professeur Alexandre Carpentier ne sont pas suffisants. L'équipe de la Pitié-Salpêtrière
a besoin d'environ deux millions d'euros pour continuer à améliorer le traitement des tumeurs
cérébrales.
18
IV. Les applications civiles des grands
équipements lasers
La première mission des Grands Equipements Lasers à travers le Monde était d’assurer la
fiabilité et la sûreté de la force de frappe française alors que le TICE interdisait les essais nucléaires
dans l’environnement. Cependant, lors de la recherche et du développement de ces structures, les
scientifiques ont remarqué que le potentiel des grands équipements lasers était beaucoup plus large
que celui des applications militaires.
De multiples applications civiles peuvent être étudiées grâce à ces infrastructures dont :
l’astrophysique et la fusion inertielle (la fusion civile par laser).
1. Les grands équipements laser et l’astrophysique
L’un des plus grands défis de l’humanité est de comprendre l’origine, le fonctionnement et la
fin de notre univers. Le conseil national de recherche
: Connexion Quark au Cosmos, a élaboré onze points essentiels pour faire avancer cette
compréhension dont cinq pourraient être étudiés grâce aux grands équipements lasers. Ainsi les
grands équipements lasers nous permettraient une avance considérable dans :

La meilleure compréhension des supernovae et de l’énergie noire:
Un problème persistant pour la réalisation de la fusion par laser est présenté par les
instabilités hydrodynamiques (des instabilités concernant les forces, l'énergie et de la pression des
liquides en mouvement) qui sont générées lorsque la pastille de combustible est comprimée par un
processus d’implosion avec des rayons X.( voir II/ 3. Le LMJ : la chambre d’expérience ) En effet, la
compression est non uniforme à cause des imperfections dans le culot et les faisceaux laser.
Ces instabilités hydrodynamiques qui affectent l’allumage sont en revanche d’un réel intérêt
pour l’astrophysique. Deux types de supernovae, la supernovae 1A et la supernovae de type II dites
à “effondrement de coeur”(un effondrement gravitationnel qui se produit quand une étoile lourde, dix
fois la masse du soleil ou plus, a utilisé la totalité du combustible nucléaire) présentent en effet les
mêmes instabilités hydrodynamiques qu’une bombe nucléaire lors de son explosion ou que les
réactions de fusion par confinement inertiel.
Or, on pense aujourd’hui qu'une certaine forme d'instabilité peut être essentielle à l'explosion
de la supernovae. En effet, l’étoile est composée de couches internes lourdes et de couches
externes plus légères. Pendant l’explosion, propulsée par l’onde de choc, la matière des couches
internes, plus lourde, pénètre dans les couches les plus légères et sus-jacentes.
Cela entraîne les instabilités hydrodynamiques. Ainsi, les grands équipements lasers tels que
le LMJ fourniront un extraordinaire laboratoire pour étudier les détails des supernovae et des
détonations d'armes nucléaires par la fusion laser.
De plus, les énergies de l’univers connues à ce jour ne permettent pas d’expliquer son
expansion toujours plus rapide. Les scientifiques ont donc élaboré une théorie selon laquelle les
deux-tiers de l’univers sont composés d’une énergie sombre inconnue dont la compréhension du
fonctionnement a été définie comme priorité. L’énergie sombre a été découverte par l’observation
des supernovae de type 1A, la compréhension du fonctionnement de l’énergie sombre nécessite
donc une compréhension parfaite de ces supernovae ce qui augmente encore l’intérêt de l’étude des
explosions.
19

La création des éléments lourds de notre Univers : le r-processus
Les processus stellaires qui synthétisent les différents isotopes des éléments lourds (du fer à
l'uranium) ont été étudiés depuis plusieurs décennies. Cependant la science n'a pas encore identifié
l'endroit exact qui contiendrait des conditions (température, pression...) assez extraordinaires pour
permettre le “r-processus” ( “r” pour “rapide”) qui crée la moitié des éléments les plus lourds.
L’hypothèse la plus probable serait que ce processus se produirait dans une supernova à
l'effondrement de coeur ou lorsque deux étoiles à neutrons rentrent en collision. L’équation nucléaire
de ce processus est bien établie par les lois de la physique nucléaire.
Les grands équipements lasers seront en mesure de faire la lumière sur cette question par
différents moyens. Il peuvent , à cause de leur densité de neutrons très élevée (1033 neutrons par
centimètres cubes par seconde pour le NIF), être capables de créer certains des nucléides (
ensemble de noyaux qui possèdent le même couple A;Z) riches en neutrons ( A-Z est un nombre
élevé) ce qui aiderait les scientifiques à mieux comprendre les propriétés de ces noyaux alors qu'ils
sont au cours de la synthèse par le processus r.

La relativité générale et les trous noirs :
Pour comprendre le fonctionnement de l’univers, il faut également déterminer si la théorie de
la relativité générale émise par Einstein, il y a presque un siècle, est exacte.
Déterminer si Einstein avait raison requiert l’étude d’objets supermassifs qui semblent être au
centre de chaque galaxie majeure : les trous noirs. Leur gravité est si puissante que même la
lumière ne peut s’en échapper ce qui signifie que les astronomes ne peuvent les étudier comme la
plupart des objets stellaires, c’est à dire en étudiant la lumière qu’ils émettent.
Une grande partie de notre compréhension des objets extrêmes tels que les trous noirs
surviennent à partir d'observations de rayons X émis par la matière qui est tirée dans les puits
gravitationnels profonds des trous noirs. Les températures extrêmes de ces plasmas produisent des
noyaux dans des états très fortement ionisés - la plupart des électrons qui accompagneraient un
atome neutre ont été arrachés. Les spectres obtenus peuvent être très différents de ceux des
atomes ou des ions peu ionisés, l'identification de ces ions est essentielle pour déterminer la
température et la densité de l'environnement dans lequel ils vivent.
Pour pouvoir les étudier, les scientifiques doivent étudier la matière dans un environnement
extrêmement hostile, ce qui veut dire que cette matière sera hautement ionisée : les atomes devront
être dépouillés de tous leurs électrons. Ces ions extrêmes émettront une radiation caractéristique
des trous noirs qui sera analysable.
Cependant, les conditions qui peuvent aboutir à la production de tels ions sont si extrêmes
(nécessité d’intenses rayons gamma...) qu’elles ne peuvent être produites que dans les grands
équipements lasers comme aujourd’hui le National Ignition Facility aux Etats-Unis et demain Le
Laser MégaJoule en France.

La matière dans des conditions similaires aux structures internes des
grosses planètes gazeuses
Les températures et les pressions dans la structure interne des grosses planètes gazeuses
(telles que : dans notre système solaire : Saturne et Jupiter et à l’extérieur la majorité des exosplanètes nouvellement découvertes) sont de 9727 °C et 1 Gigabar.
Or, les matériaux subissent des changements fondamentaux dans leurs propriétés physiques
et chimiques de liaison à de telles pressions. Il y a donc un intérêt considérable parmi les
scientifiques à étudier de manière expérimentale les matériaux dans des conditions extrêmes afin de
mieux comprendre la composition et l'évolution géophysique de ces étoiles géantes à l’origine de la
vie.
Ainsi, les grands équipements lasers permettront aux scientifiques de simuler les conditions
du coeur profond de grosses planètes et de répondre à certaines des questions les plus
fondamentales de la physique planétaire.
20

Les caractéristiques des plasmas stellaires :
Les expériences en laboratoire avec des lasers intenses permettent des études de physique
nous apportant des connaissances sur le cycle de vie d'une étoile,de sa formation à partir de gaz
froid dans les nuages moléculaires, à travers sa lente évolution ultérieure jusqu'à sa mort explosive
rapide.
Pour déterminer la structure d'une étoile tout au long des différentes étapes de sa vie, les
astrophysiciens ont besoin d'informations sur l'opacité radiative du plasma (propriété des plasmas
qui laissent plus ou moins passer les radiations comme les rayons gamma) qui compose l'enveloppe
extérieure stellaire et sur l'équation d'état (une relation entre différents paramètres physiques qui
déterminent son état. Il peut s'agir par exemple d'une relation entre sa température, sa pression et
son volume.) À partir de l'équation d'état caractéristique d'un système physique, il est possible de
déterminer la totalité des quantités thermodynamiques décrivant ce système : donc de prédire ses
propriétés. L'opacité radiative de la matière dans les intérieurs stellaires joue un rôle clé dans la
détermination de la façon dont les étoiles évoluent :
la chaleur et la luminosité de l’étoile alors qu’elle consomme de l’hydrogène, les flux de neutrinos
qu'elle émet etc…
Les scientifiques utilisent un ensemble de calculs pour prédire les structures et les propriétés
stellaires. Cependant, celles-ci dépendent des opacités qui ne peuvent être crées que dans des
conditions appropriées c’est-à-dire à l’aide d’une installation de haute énergie comme le LMJ.
Acquérir une meilleure compréhension de la structure d'une étoile au cours de ses différents
stades d'évolution pourrait également impliquer des investigations sur les taux de réactions
nucléaires en les observant dans des plasma semblables à ceux des étoiles. La clé du succès dans
l'étude de l'opacité radiative, des équations d'état et des taux de réactions nucléaires dans les étoiles
est la capacité à recréer les plasmas très chauds qui caractérisent les environnements stellaires.
2. Vers une fusion nucléaire civile
Quelles sont les prévisions de l’avancée de la recherche pour une fusion nucléaire civile par laser ?
Il est très probable que les scientifiques réussiront l’allumage : c’est à dire une réaction de
fusion où l’énergie nécessaire à la réaction de fusion serait inférieure à celle produite par la fusion,
aux environs de 2025. Ils disposeraient alors d’assez d’éléments pour prouver que la fusion nucléaire
permet une source d’énergie abondante sans pollution. Dès 2050, un système expérimental utilisant
la fusion nucléaire par laser produira une puissance substantielle. Ce laser expérimental réalisé en
2050 définira les différents prototypes les plus adaptés. Ils permettront de prévoir l’ampleur et la
cadence du développement industriel de cette nouvelle méthode de production d’énergie. On peut
donc aujourd’hui prévoir que les premières centrales de production d’énergie utilisant la fusion
inertielle seront disponibles sur le marché en 2080.

Pourquoi les centrales nucléaires fonctionneront avec le principe de
l’allumage rapide ?
La difficulté de l’allumage par compression est qu’il produit la densité et la température par
une seule action, celle de la compression.
L’allumage par compression accroît l’agitation des molécules de la matière.
La compression produit une réaction entre les deux atomes mais ne dissocie pas complètement ces
noyaux en leur éléments : les neutrons et les protons.
21
L’allumage rapide utilise deux moyens différents pour obtenir la densité d’une part, l’élévation
de température d’autre part. Le laser d’allumage émet une énergie du même ordre que le laser de
compression en une durée jusqu’à 100 000 fois plus brève. Les champs électriques qui agissent sur
la matière sont donc beaucoup plus grands ce qui entraîne une décomposition des atomes des
molécules beaucoup plus profonde. Le milieu éclairé contient des noyaux, des protons, des
électrons. Ils peuvent atteindre de grandes vitesses, proche de la vitesse de la lumière (qu’ils ne
peuvent, cependant, jamais atteindre)
Schéma du principe de l’allumage rapide dans une centrale à fusion inertielle.
Les ondes lasers d’allumage génèrent un flux d’électrons et de protons rapides. Ils
transportent leur énergie vers le centre et produisent l’allumage.
L’énergie de l’onde d’allumage est transférée à la matière en un point A, à une distance non
négligeable du centre du point chaud à créer. Elle est transformée en A en celle de faisceaux
d’électrons et d’ions à grande vitesse. L’énergie transmise vers le centre déclenche l’allumage. La
principale difficulté est le transport de l’énergie laser déposée en A vers le centre et son absorption
au centre.
L’allumage rapide ne présentera pas l’instabilité de l’allumage par compression. Le rendement de la
conversion d’énergie laser en énergie produite sera convenable. Le principe de l’allumage rapide
conduit donc à des résultats très différents qui sont plus utiles pour la fusion civile.
22

A quoi ressemblera une centrale nucléaire à fusion par laser ?
Structure schématique d’une centrale à fusion par laser :
La future centrale électrique de fusion par laser qu’il est prévu de mettre en service d’ici 2080,
se composera de deux parties indépendantes : une première partie
réalisera l’allumage des réactions de fusion, une deuxième partie absorbera l’énergie émise par la
fusion, la transformera en énergie thermique puis en énergie électrique. L’allumage sera réalisé
par deux lasers différents ( voir allumage rapide) compte tenu de la plus grande probabilité
d’allumage avec la technique de l’allumage rapide. L’un compressera le mélange de deutérium
tritium, il produira une énergie de quelques centaines de Kilojoules en 10-9 seconde. L’autre réalisera
l’allumage rapide grâce à un flux d’énergie équivalent à celui émis par le laser de compression émis
en impulsions très brèves. L’énergie produite par les réactions nucléaires est transportée par un flux
de neutrons de 14MeV. Ce flux est ensuite absorbé par le caloporteur, par exemple de l’eau qui
circulera entre les sphères E1 et E2 (la sphère E1 étant chauffée à une température de 500 degrés
centigrades). Ce caloporteur alimente ensuite la source chaude d’une turbine qui entraîne un
alternateur générateur d’énergie électrique.
Le calcul montre que si ce caloporteur est de l’eau, une distance d’environ 10cm entre les deux
sphères
et
sera suffisante pour que la plus grande partie de l’énergie des neutrons, de 14 MeV
soit absorbée.
Calcul de la puissance ainsi obtenue par cm2 :
Si le rayon de la sphère
soit : =10m
La surface de cette sphère sera alors : = 4 x x ( )² = 1,257 x 107 cm².
La sphère
recevra une puissance/cm² qui sera de la formule :
23
énergie émise par la sphère de DT transportée par les neutrons de 14MeV/ la surface
sphère. soit : 3.109/ 1,2.10 7 = environ 250 watts/cm².
de la
Ainsi, l’extraction d’une puissance de 250 watts par cm² à chaque réaction nucléaire ( il a été calculé
qu’il faudrait 10 fusions par seconde ), par un courant d’eau par exemple, ne sera pas difficile car
l’eau ayant absorbé le flux de neutrons acquière une température suffisamment élevée pour
alimenter la source chaude du turbo-alternateur.
Les lasers utilisés pour l’allumage seront réalisés en utilisant majoritairement des lasers semiconducteurs qui sont similaires aux composants des téléphones portables.
Etant donné que la deuxième partie qui absorbe et converti l’énergie produite par la fusion est une
technique déjà utilisée pour d’autres types de centrale, il apparaît que la réalisation d’une centrale
électrique utilisant la fusion par laser conduit à une bonne stabilité et à un coût relativement modeste.

La nécessité et les différents avantages de la fusion nucléaire civile par laser
Avantages économiques de la fusion par laser :
Si l’on utilise la fusion par laser, les deux fonctions principales de la centrale nucléaire seront
indépendantes. Ceci permet de les concevoir pour un prix compétitif ce qui facilitera le
développement économique de ce moyen de production d’énergie novateur.
De plus, une grande part du laser sera réalisée par des méthodes de fabrication en série qui ont
prouvé leur efficacité dans l’industrie des télécommunications. : elles sont donc fiables et peu
coûteuses.
La récupération de l’énergie produite par la fusion et sa transformation en énergie électrique sont
effectuées grâce à des machines thermiques dont la technologie est bien maîtrisée et d’un coût
relativement modeste (voir shéma).
Avantages écologiques de la fusion par laser :
Aujourd’hui nous consommons 161 Mégateps d’énergie par an en France dont l’essentiel est produit
par la combustion du pétrole, du gaz et des centrales électriques qui produisent 36.4 Mégateps de
l’énergie consommée (soit 20%).
La plus grande partie de l’énergie consommée en France est apportée par la combustion
d’hydrocarbures (pétrole, charbon et gaz). Cette méthode a déversé une centaine de millions de
tonnes de gaz carbonique CO2 dans l’atmosphère en France en 2005 soit un tiers de nos émissions
totales de CO2 cette année-là. La combustion des hydrocarbures est donc un facteur majeur de
l’effet de serre.
De plus, ces combustibles, dits“fossiles” car ils se régénèrent selon des cycles de plusieurs millions
d’années, sont en train de s’épuiser : on prévoit la fin des ressources en charbon entre 2048 et 2075
(selon son utilisation plus ou moins raisonnée dans les années à venir) ; l’épuisement du pétrole vers
2050 et la fin des ressources en gaz naturel pour 2072.
L’énergie électrique produite par des centrales hydroélectriques ne peut plus être accrue en
France car les sites les plus favorables ont été utilisés.
La technologie des centrales à fission construites en France est, certes, de bonne qualité et leur
utilisation n’a pas encore conduit à un accident grave sur le territoire national. Par ailleurs, celles-ci
ne rejettent pas de dioxyde de carbone.
Cependant, un dérèglement de leur fonctionnement est possible et peut conduire à une explosion
aux conséquences très graves sur la santé dans un large environnement. C’est ce qui s’est passé à
Tchernobyl, en Ukraine en 1986 et en 2011 à Fukushima au Japon.
D’autre part ces centrales génèrent des déchets radioactifs dangereux pendant des
millénaires. Elles demandent un combustible (l’uranium) qui ne se présente pas partout sur terre et
qui est rare. Son approvisionnement pose donc des problèmes géopolitiques et économiques qui
sont de graves sources de tension.
24
De plus, l’exploitation de l’uranium atteint ces limites : si la consommation d’uranium reste
constante dans les années à venir, l’uranium pourrait être épuisé d’ici 2040 voire 3000 selon les
prévisions les plus optimistes.
L’humanité étant en perpétuelle croissance démographique, sa demande énergétique croit
rapidement et ce d’autant plus qu’elle est renforcée par la hausse générale du niveau de vie. Il paraît
donc nécessaire de produire une énergie avec un combustible renouvelable ou inépuisable, présent
en abondance sur la Terre. De plus, afin de limiter l’effet de serre et les répercussion sur
l’environnement et la santé des populations, cette production d’énergie ne doit pas présenter de
risques élevés d’accidents, de rejets de déchets radioactifs à long terme ni de gaz à effet de serre.
La fusion par laser via un confinement inertiel rempli ce cahier des charges élevé.
Le combustible deutérium se trouve en abondance sur terre (concentration massique du deutérium
dans l’eau de mer : 33g.m puissance-3 : aujourd’hui 1 L d’eau de mer permet d’obtenir autant
d’énergie que 800L d’essence).
Les centrales à fusion par laser ne généreront aucune pollution, ni déchets radioactifs à long terme :
le seul produit radioactif de cette réaction nucléaire est un neutron qui a une radioactivité dangereuse
pendant une centaine d’années et qui est stoppé par les épaisses paroies de béton boré de la
chambre d’expérience.
Les risques d’accidents graves seront nuls car ce n’est pas une réaction en chaîne comme dans les
centrales à fission : chaque réaction nucléaire doit être actionnée par la descente de la sphère
contenant le deutérium-tritium.
25
Conclusion :
Comment poursuivre les recherches nucléaires sans réaliser
d’explosions ?
Après l’arrêt des essais nucléaires par le TICE, le programme Simulation a été mis en place,
il s’agit d’une nouvelle façon de poursuivre les recherches nucléaires. Le programme Simulation
s’appuie sur une connaissance des modèles physiques pour effectuer une double validation de la
sûreté des armes nucléaires de dissuasion de la France : une validation numérique et une validation
expérimentale.
Aujourd’hui, le principal outil de la validation numérique et TERA 100, un supercalculateur,
qui étudie la réaction de fusion, mais aussi d’autres applications civiles futures du Laser MégaJoule.
La validation expérimentale a pour but de valider, ajuster ou de discriminer les validations
numériques par des appareils comme la LIL ou AIRIX.
Le principal moyen de poursuivre les essais nucléaires sans réaliser d’explosion dans notre
environnement reste cependant le Laser MégaJoule.
C’est l’impératif d’une précision extrême qui a motivé le choix du lieu d’installation du LMJ. En
effet, ce bâtiment d’une envergure considérable a en fait pour but d’allumer une sphère de 2mm de
diamètre afin de réaliser l’allumage : un atome de deutérium et un atome de tritium fusionnent à des
conditions de température et de densité extrême pour donner une particule alpha ( un atome
d’hélium à deux protons et deux neutrons ) ainsi qu’un neutron et une très grande énergie. Pour cela,
des lasers extrêmement énergétiques comprimeront un container en or qui contient la capsule de
deutérium tritium jusqu’à ce que la température et la densité suffisante pour une fusion. Ces
faisceaux sont préalablement amplifiés par la chaîne laser. Le LMJ est également relié à un faisceau
laser mille fois plus court ce qui permet l’étude de l’allumage rapide (PETAL).
Les conditions de densité et de température extrême au sein de la chambre d’expérience du
LMJ sont similaires à celles des plasmas stellaires et de nombreux objets stellaires encore mal
connus. Il constituent donc un outil indispensable à la compréhension de notre univers. De plus,
l’étude de l’allumage rapide au LMJ est indispensable à la mise en place d’une nouvelle forme
d’énergie civile propre et abondante : la fusion inertielle.
Cependant, les scientifiques découvrent depuis peu d’autres applications révolutionnaires du
LMJ comme la protonthérapie par laser : une thérapie qui devrait permettre un traitement beaucoup
moins agressif et beaucoup plus précis des tumeurs cérébrales et optiques.
Suite à l’étude du fonctionnement du LMJ et de ses applications, on peut s’attendre à une
expansion de l’utilisation des réactions de fusion dans de nombreux domaines. Aujourd’hui, Le LMJ
sert à plusieurs organismes tel que HiPER (High Power Energy Research) ,un organisme européen
visant à la production d’énergie non polluante.
26
REMERCIEMENTS
Nous remercions Jean Lajzerowicz, le directeur de la communication du Centre d'études
scientifiques et techniques d'Aquitaine (Cesta) du CEA, pour avoir répondu à nos questions
durant des rendez-vous téléphoniques et pour nous avoir fait visiter le LMJ.
Nous tenons également à remercier les professeurs et documentalistes qui nous ont
soutenus tout au long de notre dossier.
Enfin, nous tenons à remercier tout spécialement Madame Raoul, notre professeur de
Physique-Chimie, d’avoir répondu à toutes nos questions et d’avoir consacré autant de
temps à ce projet.
27
Bibliographie
● Livre :
-Robieux, Jean. Vers l’Energie Abondante Sans Pollution, La fusion nucléaire par laser, 92160
ANTONY, Louis de Broglie, édité en Octobre 2008.
● Revue/Magazine :
-Richardin, Laurent. En visite au … LMJ. SOUDAGE et techniques connexes, Juillet/Août 2012, n°66
● Site Web :
-CEA, (Site du 26 août 2013). Le Laser Mégajoule, [En ligne]. Adresse URL : http://wwwlmj.cea.fr/index.htm
- Cegelec. (Page consultée le 07 décembre 2012). Le Laser Megajoule du CEA, [En ligne]. Adresse
URL : http://www.cem.cegelec.com/reference-laserMegajoule.htm
-Nivière, Thomas . (Page du 1er novembre 2001). Le Laser Megajoule, [En ligne]. Adresse URL :
http://aquitaine.unicnam.net/spip.php?article13
-“Cocobasel” Youtube. (vidéo publiée le 12 juillet 2010). Les supernovae, [En ligne]. Adresse URL :
http://www.youtube.com/watch?v=k68kEaCkXXs
-InfinityReportageTV Youtube. (vidéo publiée le 7 août 2012). Voyage Au Coeur d’un Trou Noir
{N°1}, [En ligne]. Adresse URL : http://www.youtube.com/watch?v=0B8yTIUO4gM
- CEA / Service information-Media. (dossier du 25 novembre 2010). Le super calculateur TERA 100,
[En ligne]. Adresse URL :
http://www-lmj.cea.fr/fr/programme_simulation/Tera100-Supercalculateur-cea-251110.pdf
- ouche, Daniel , CEA/DIF et ENSC/CMLA/LRC Méso P Leca, H Lozach, C Ménaché,CEA/DIF.
(Page consultée le 07 décembre 2012). Le centre de calcul de ruyères, [En ligne]. Adresse URL :
http://www.farman.ens-cachan.fr/Farman_Bouche.pdf
- Directeur de la recherche. (dernière modification le 25 octobre 2010). Petal, [En ligne]. Adresse
URL : http://petal.aquitaine.fr/Caracteristiques-de-PETAL.html
- Brizeux. (Page consultée le 17 janvier 2013). TP - Réseau de diffraction, [En ligne]. Adresse URL :
https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:5r34FUdCHg0J:www.cpgebrizeux.fr/casiers/francoise/TP/TPReseau.pdf+&hl=fr&gl=fr&pid=bl&srcid=ADGEESiEQchX27aKcu3J
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RC4rjBQLNjsedb_ZLFvI3yv-Q8OUqb_fgAEe4nKcx&sig=AHIEtbSkopAlg4ijmN1_92qvrkVUHTr7IQ
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