Section 04 Atomes et molécules, optique et lasers, plasmas chauds

IV. Plasmas chauds

A. De l'utilisation des plasmas pour la production d'énergie

1. Filière magnétique

Le projet international ITER, visant à démontrer le potentiel de la fusion par confinement magnétique comme source alternative d'énergie bas carbone, suscite un éventail de recherches très diverses, posant souvent des questions fondamentales (cf. l'effet Landau, objet de la médaille Fields de C. Villani). Ainsi, la turbulence ou la dynamique non-linéaire, les processus atomiques, la physique des surfaces sont au cœur des deux premières missions identifiées dans la feuille de route européenne : 1) optimiser les régimes d'opération en minimisant les pertes ; 2) optimiser les configurations du plasma et les matériaux de paroi pour supporter les forts flux de chaleur et de particules produits dans le plasma en combustion. La Fédération de Recherche nationale (CNRS, CEA, INRIA, plus de vingt Universités), coordonne en France des recherches multidisciplinaires. En physique, elles se déroulent selon une chaîne essentielle pour pouvoir valider à terme les simulations préparatoires d'une décharge complète d'ITER : établissement des modèles théoriques, mathématiques associées et développement de schémas numériques performants pour les simulations directes, confrontation à l'expérience, notamment sur les grands instruments que sont les tokamaks.

Le développement du code gyrocinétique de simulation directe GYSELA a permis notamment de mettre en évidence des phénomènes de transport par avalanche et de formation de structures cohérentes (flux zonaux), qui jouent un rôle essentiel dans la régulation du transport turbulent, ou ses aspects non-locaux. Des modèles de complexité variable accompagnent ces développements. Différentes techniques instrumentales, développées et implémentées par les équipes françaises sur les machines européennes permettent de valider les résultats. Un enjeu majeur de ces développements est la compréhension de la dynamique spontanée des barrières de transport et la bifurcation vers un régime de meilleur confinement.

Dans ITER, le chauffage du plasma sera essentiellement assuré par les particules α énergétiques issues des réactions de fusion, à la différence des tokamaks actuels : ces nouveaux régimes suscitent de nouveaux développements de codes couplant MHD et description particulaire.

Une physique essentielle pour ITER se joue également à l'interface entre le plasma et la paroi en regard : dans cette zone où les fluctuations peuvent être de grande amplitude, un enjeu est d'étaler le flux thermique et de particules pour garantir la compatibilité avec les matériaux. L'essentiel de l'interaction est localisé au niveau d'un élément appelé divertor, dont la fabrication est un enjeu pour ITER : la mutation vers le tungstène a renouvelé les approches pluridisciplinaires associant les matériaux, les processus élémentaires à la surface, l'interaction avec le plasma, la physique atomique. La modélisation associée est complexe, multi-échelles, et doit prendre en compte les échanges de particules chargées et neutres, dans un environnement dominé par la turbulence. La nouvelle installation française (WEST, Cadarache) sera un dispositif essentiel pour la validation du fonctionnement du divertor d'ITER.

Des configurations magnétiques alternatives (stellarator), également identifiées dans la feuille de route européenne, font aussi l'objet d'un projet d'installation expérimentale de moyenne échelle.

2. Filière inertielle

Après une période de doute face aux premiers résultats décevants de la campagne NIC sur l'installation NIF aux États-Unis, et ce malgré des réalisations technologiques laser-cibles-diagnostics impressionnantes, une période plus réaliste et plus fructueuse sur le plan de la recherche académique s'est ouverte en 2013, avec de réelles avancées dans la compréhension des mécanismes physiques qui préviennent l'obtention d'un gain significatif en attaque directe (instabilités paramétriques, absorption de l'énergie laser, conversion X, instabilités hydrodynamiques, etc.) et des résultats qui ont démontré un chauffage significatif du combustible par les particules α, et donc une amorce du processus d'allumage.

L'attaque directe connaît, en parallèle, un regain d'intérêt dû aux nouveaux schémas d'allumage rapide ou par choc. Ils reposent tous deux sur une séparation des phases de compression et d'allumage avec la nécessité d'un dépôt complémentaire d'énergie, dû soit à des particules ultrarapides soit à un choc fort, sur un temps très bref. Si le premier schéma nécessite encore aujourd'hui la levée de nombreux verrous, le second paraît plus réaliste et mobilise plusieurs équipes en France, en Europe et aux États-Unis afin de prouver sa faisabilité sur les installations NIF et LMJ-PETAL.

La communauté académique européenne est depuis des années fédérée par le biais d'activités de veille EURATOM et autour du projet HiPER, qui vise à démontrer que la fusion inertielle peut être, à très long terme, une source d'énergie viable sur le plan économique et environnemental, en validant les différents composants d'un futur réacteur. Ce but ambitieux se traduit aujourd'hui par le lancement de programmes scientifiques et technologiques dédiés, autour d'une roadmap coordonnée à l'échelle européenne. La décision de construction d'HiPER devrait être prise à la fin des années 2020.

B. Étudier des états extrêmes de la matière : de la matière condensée à la matière à haute densité d'énergie

À l'échelle nationale, la communauté est coordonnée au sein de l'ILP. Structuré en deux pôles, « Haute Densité d'Énergie » (HDE) et « Ultra-Haute Intensité » (UHI), l'ILP regroupe l'ensemble des laboratoires et des chercheurs du domaine laser-plasma.

La fusion inertielle évoquée précédemment n'est que l'un des sujets traités au sein du pôle HDE. L'astrophysique et la planétologie de laboratoire sont également largement abordées. En effet, les lasers de forte énergie permettent d'atteindre des conditions telles que certains objets extra-terrestres peuvent être étudiés, moyennant des lois d'échelles appropriées. Des résultats marquants ont ainsi été obtenus sur les chocs d'accrétion et les chocs radiatifs, la formation de champs magnétiques proto-galactiques ou la structure des exo-planètes, grâce notamment à l'implication croissante de physiciens non plasmiciens. Des thèmes tels que la reconnexion magnétique sont en cours d'étude. Ces grands sujets s'accompagnent d'études de physique de portée plus générale pour améliorer la compréhension des mécanismes microscopiques ou pour acquérir des données fiables. Le couplage récent laser-champ magnétique pulsé va de plus ouvrir tout un pan de nouvelles recherches sur les plasmas magnétisés. Enfin, des progrès importants sont attendus dans les années à venir, l'installation LMJ-PETAL permettant d'obtenir des conditions de plasma encore hors de portée.

Les X-FEL ont, quant à eux, ouvert un nouveau champ d'investigation HDE et le couplage prévu de ces sources avec des lasers énergétiques devrait être une des évolutions marquantes des prochaines années. En effet, le rayonnement X délivré, bref et intense, peut soit produire des plasmas dans des conditions totalement nouvelles soit sonder un milieu comprimé par laser ; on parle dans les deux cas de matière dense et tiède, matière qui se trouve être à la fois ionisée et corrélée, voire quantique, et qui est aujourd'hui très mal connue.

Le pôle UHI de l'ILP s'intéresse quant à lui aux plasmas créés par interaction entre la matière et un laser de haute intensité (au-delà de 1015 W/cm2) et de très courte durée (fs). Ces derniers sont de plus en plus répandus dans les laboratoires, avec des énergies variant de quelques mJ à quelques dizaines de Joules. Leur puissance permet d'aborder notamment l'étude de mécanismes ou d'états de la matière à hydrodynamique figée ou exotique. En effet, à très haute intensité (au-delà de 1023 W/cm2), les champs extrêmes qui se développent au sein des plasmas relativistes devraient autoriser l'observation d'effets d'électrodynamique quantique mal connus (production par effet Breit-Wheeler de paires électron-positron...).

C. Produire des sources secondaires de particules et de rayonnement pour des applications aux interfaces

L'interaction laser-matière à haute intensité permet également de générer des sources secondaires de particules aux caractéristiques uniques (brièveté, brillance, etc.) qu'il s'agisse d'électrons, d'ions ou de photons. Au-delà de l'énergie maximum de ces particules, les recherches visent à améliorer la qualité des faisceaux obtenus (émittance, dispersion en énergie, accordabilité, stabilité, fiabilité, etc.) et à promouvoir des applications interdisciplinaires.

Après les premières démonstrations d'accélération d'électrons au GeV aux États-Unis, la quête de l'énergie « ultime » (la dizaine voire la centaine de GeV) se poursuit avec notamment des concepts de guidage et d'accélération multi-étages tout-optique, tels que ceux développés dans le cadre du consortium CILEX. Elle s'appuie sur une connaissance approfondie des mécanismes d'interaction et d'accélération laser-plasma et sur une caractérisation de plus en plus fine des faisceaux d'électrons produits. Elle s'accompagne d'importants efforts pour rendre ces derniers stables, quasi-mono-énergétiques et ajustables en énergie. Porté par la prochaine mise à disposition de la communauté d'installations laser multi-PW dédiées, le domaine est en plein essor.

Les faisceaux d'électrons accélérés par laser permettent de produire des sources de rayonnement X, intenses et ultrabrèves ; deux d'entre elles ont été démontrées ces dernières années et permettent de couvrir une gamme en énergie allant de quelques keV à quelques centaines de keV, pour des durées de l'ordre de celles des systèmes laser utilisés : le rayonnement bêtatron ou le rayonnement de diffusion Compton. Bien que d'importants efforts restent à fournir, la communauté des accélérateurs est aujourd'hui intéressée par cette recherche, notamment pour le développement de la 5e génération de lasers à électrons libres.

Les lasers XUV ont été au milieu des années 80 les pionniers des sources secondaires. Ils ont par la suite joué un rôle important dans les progrès des techniques associées : miroirs multicouches XUV, caméras CCD, etc. Trente ans plus tard, ils conservent des spécificités importantes, notamment un nombre de photons cohérents par impulsion très élevé dans la gamme ∼ 7-50 nm. L'injection dans le milieu à gain d'une harmonique laser a ouvert une nouvelle voie de recherche, vers des durées sub-ps, voire fs, ou la cohérence complète. En parallèle, l'évolution des systèmes lasers permet d'espérer dans les prochaines années la démonstration de nouveaux schémas d'inversion de population qui permettraient d'atteindre des longueurs d'ondes laser de l'ordre du nm. L'intensité des lasers X pourrait alors approcher, voire égaler, celle des X-FEL, mais avec une installation beaucoup plus compacte, moins chère, et plus accessible.

Les sources basées sur la génération d'harmoniques d'ordre élevé dans les gaz ou sur cibles solides ont quant à elles des caractéristiques particulièrement attractives, notamment leur synchronisation naturelle avec une impulsion IR, pour des expériences pompe-sonde, leur cohérence spatiale, leur directivité et leur durée, avec la possibilité d'obtenir des impulsions attosecondes isolées. L'observation du signal harmonique permet de plus d'auto-sonder la structure du milieu émetteur (atomes, molécules ou plasmas). La résolution spatiale de cette imagerie est alors de quelques Å et sa résolution temporelle attoseconde.

En ce qui concerne l'accélération laser d'ions, de quelques dizaines de MeV aujourd'hui pour les protons, l'objectif sera d'atteindre le GeV en utilisant au mieux les améliorations des systèmes laser et les nouveaux mécanismes mis en jeu aux très fortes intensités. Des techniques de manipulation sont développées en parallèle.

Le champ des applications des sources secondaires est très vaste, de la physique des plasmas à la physique du solide, la physique nucléaire, l'astrophysique et les sciences du vivant. Ainsi, utilisés initialement pour la radiographie et l'interférométrie résolues en temps en physique des plasmas puis pour l'inspection non destructive de la matière dense, les faisceaux d'ions et de rayonnement X permettent aujourd'hui de chauffer isochoriquement un solide et produire un milieu dense et tiède, à l'interface plasma – matière condensée, non simulable par les outils numériques actuels. Si la détermination expérimentale du pouvoir d'arrêt dans un plasma d'un faisceau d'ions légers accélérés par laser constitue une avancée en physique nucléaire, les expériences envisagées en particulier sur ELI-NP en Roumanie avec un couplage laser-faisceau γ devraient ouvrir un nouveau champ de recherches autour de la physique du vide. L'étude de phénomènes ultrarapides par diffraction d'électrons est également un axe de recherche en développement à l'interface avec la physique du solide. Enfin, l'intérêt des sources secondaires dans le domaine médical, pour l'imagerie à haute résolution, la radiothérapie, la production d'isotopes et l'hadronthérapie, a pu être montré. Leurs limitations actuelles devraient pouvoir être levées dans les années à venir avec le développement d'une nouvelle génération de systèmes laser.

D. Des codes de simulation multi-échelles performants pour la physique des plasmas

La simulation numérique joue un rôle essentiel pour les études mentionnées ci-dessus et un effort très important est fait pour développer des outils performants. Le caractère multi-échelles des mécanismes mis en jeu en justifie la variété. Si les codes de dynamique moléculaire, de physique atomique ou PIC traitent des aspects les plus microscopiques ou donnent accès à certaines données de base mesurables, les codes (magnéto)-hydrodynamiques radiatifs, gyro-cinétiques ou PIC hybrides autorisent une comparaison directe aux observations macroscopiques. Le parc de calculateurs à la disposition de la communauté, du cluster aux supercalculateurs pétaflops de GENCI ou de PRACE, ainsi que l'existence de structures accompagnatrices, ont permis aux outils d'évoluer et d'atteindre un très bon degré de maturité. Il est aujourd'hui possible de réaliser des simulations réalistes, tridimensionnelles et sur des échelles en temps et en espace pertinentes. La poursuite de telles études numériques ne pourra toutefois être envisagée que si la capacité du parc et des outils de développement continue à augmenter dans les années à venir afin d'inclure des mécanismes jusqu'alors négligés.

E. Des recherches et développements laser innovants pour des installations de classe internationale

Depuis plusieurs années, une course à la puissance crête et aux intensités extrêmes s'est engagée, lancée en particulier par les études sur l'accélération laser de particules et leurs applications. Des lasers, basés sur une technologie titane :saphir, fournissant des puissances jusqu'au PW sont aujourd'hui accessibles commercialement. Il s'agit maintenir d'atteindre la dizaine de PW, voire au-delà. Dans ce contexte, l'installation APOLLON sur le Plateau de Saclay est l'un des projets les plus ambitieux (avec les projets ELI) avec l'objectif de délivrer sur cible des impulsions de 300 J en 30 fs. Il témoigne du très haut niveau atteint par la recherche académique française qui peut aujourd'hui générer de fortes retombées économiques, grâce notamment aux partenariats tissés avec les industriels français, leaders du marché mondial. Afin de tirer bénéfice des intensités extrêmes, il convient de maintenir un très haut contraste sur cible. Ceci nécessite la mise en place de dispositifs de nettoyage d'impulsions que les équipes françaises, pionnières dans le domaine, continuent à améliorer et à valoriser.

L'augmentation de la cadence des sources ultracourtes et des lasers de forte énergie et/ou de forte puissance constitue un autre défi à relever. Il répond aussi bien à des problématiques économiques qu'à des problématiques de recherche académique, notamment pour les applications des sources secondaires de particules et de rayonnement ou en optique ultrarapide. Il s'agit en particulier de savoir gérer efficacement les problèmes thermiques qui accompagnent une augmentation de la puissance moyenne. Les recherches portent actuellement sur des systèmes laser pompés par diodes utilisant des matériaux dopés à l'ytterbium ou sur l'utilisation de fibres cristallines pour les très hautes cadences et de cristaux ou de céramiques pour les fortes énergies. L'intégration d'architectures et techniques innovantes devrait également conduire dans les années à venir à des avancées importantes. On peut noter aussi l'émergence des techniques de combinaison cohérente d'impulsions qui, appliquées aux lasers fibrés, pourraient constituer une rupture technologique fondamentale extrêmement prometteuse.

Des activités de R&D visant à rechercher et tester des matériaux supportant des flux élevés de rayonnement et de particules ionisantes, ou à mettre au point des techniques d'injection et d'alignement de cibles complexes doivent être poursuivies en parallèle, que cela soit dans le cadre d'études HDE ou dans le cadre d'études UHI.

F. Un continuum d'installations françaises au service de la communauté académique

Les programmes expérimentaux plasma-laser sont dans la plupart des cas développés sur des installations à taille « humaine », implantées dans les laboratoires, avant d'être portés sur les très grandes infrastructures de recherche, nationales ou européennes. En effet, si ces dernières permettent d'avoir accès à des paramètres d'interaction exceptionnels, leur accessibilité est limitée et des installations locales, plus souples en termes d'utilisation et de planification, sont indispensables pour la conduite d'expériences préparatoires, voire exploratoires, pour la formation d'une nouvelle génération de chercheurs et d'ingénieurs, et pour une conception innovante de diagnostics. La durabilité de l'accès par la communauté académique à ces installations de proximité, est un réel enjeu pour les années à venir.

Une analyse de différents scénarios d'évolution de ce parc dans le domaine HDE, et de leur impact sur la communauté laser-plasma, a été conduite par l'ILP. Le rapport émis préconise, à défaut de la construction à court terme d'une installation académique « intermédiaire », le maintien de la compétitivité de l'installation existante et le développement renforcé d'un programme de R&D laser, en partenariat avec les industriels français du domaine, afin de conduire à long terme, entre autres applications, à la réalisation d'une chaîne laser de nouvelle génération, brique de base de l'installation HiPER.

Cette démarche multi-échelles en termes d'installations est également utilisée en fusion par confinement magnétique, avec la même nécessité de soutien pérenne.