CEA-CESTA Laser MégaJoule (LMJ), site du Barp
Validation des simulations numériques des essais nucléaires

Présentation du site et de l'activité

Laser Mégajoule du CEA-CESTA, site du Barp (Gironde)Jusqu'en 1996, le CEA réalisait, au Centre d'Expérimentation du Pacifique (CEP), des essais pour valider, en grandeur réelle, le fonctionnement des armes nucléaires. Après la signature du Traité d'Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE), le gouvernement français a confié au CEA la mise en œuvre du programme Simulation.

Ce programme vise à fournir les outils nécessaires à la maîtrise des différents domaines de fonctionnement d'une arme nucléaire. Il comporte trois volets : la physique de base, la simulation numérique et la validation expérimentale. La validation expérimentale est fondée sur l'exploitation des résultats des essais nucléaires passés et des résultats d'expériences sur de grands outils expérimentaux, tel que le Laser Mégajoule (LMJ). Ce dernier sera opérationnel en 2014 au Centre d'Etudes Scientifiques et Techniques d'Aquitaine (CESTA).

Cet outil doit permettre de recréer à l'aide de 240 faisceaux lasers les conditions de densité et de température nécessaires à la fusion d'un mélange de deutérium et de tritium au sein d'une microcible millimétrique. C'est la méthode dite de fusion par confinement inertiel.

Afin de valider les choix technologiques et les concepts d'exploitation du LMJ, le CEA a construit et mis en service en 2002, au CESTA, un prototype du LMJ : la Ligne d'Intégration Laser (LIL) composée de 8 faisceaux laser. A proximité de la LIL, le LMJ est en construction depuis 2003. La photo ci-contre représente une vue aérienne du bâtiment LMJ avec sa partie centrale appelée hall d'expériences et, de chaque côté de la chambre d'expérience, les halls laser.

Principe d'un faisceau laser du LMJ

Un laser de puissance, comme la LIL ou le LMJ, est un ensemble de composants optomécaniques et d'optiques capables de générer et de transporter un faisceau laser de puissance élevée (quelques terawatts pour le LMJ).

Figure 1 : Schéma des principaux sous-ensembles d'un faisceau LMJCette chaîne laser est composée d'un grand nombre de composants qui d'un point de vue fonctionnel peuvent être regroupés en quatre sous-ensembles principaux représentés sur la figure 1 : le pilote, la Section Amplificatrice (SA), les miroirs de transport et le Système de Conversion de fréquence et de Focalisation (SCF).

Le pilote délivre une impulsion laser à 1 053 nm de faible énergie (1 J maximum par faisceau), mise en forme d'un point de vue temporel et spatial. La SA amplifie l'énergie de l'impulsion issue du pilote pour atteindre une énergie d'une vingtaine de kilos joules par faisceau. Quatre passages dans la section amplificatrice sont nécessaires pour extraire le maximum d'énergie.

Lorsque le faisceau est amplifié, une série de six miroirs, qui constituent la section de transport, guident le faisceau jusqu'au SCF. La longueur d'onde du faisceau est alors convertie de 1 053 nm à 351 nm. Le faisceau est enfin focalisé au centre de la chambre d'expérience sur la cible.

Besoins et contraintes en matière d'ultra-propreté

Hall laser de la LIL, prototype du LMJ, exploitée depuis 2002 (classe ISO 8)Chacun des sous ensembles du LMJ présentés précédemment comportent divers composants optiques de section carrée et de grande dimension, en moyenne 400 × 400 mm. De par leur nature, leur fonction et leur coût, ils constituent les éléments sensibles des lasers de puissance LIL et LMJ. Pour garantir leur bon fonctionnement et optimiser leur durée de vie, la température, l'hygrométrie, les taux de contamination particulaire et chimique, volumique et surfacique doivent être parfaitement maîtrisés et régulièrement contrôlés.

Les performances du système LMJ, et en particulier l'énergie fournie sur la cible, sont altérées par des baisses de transmission ou de réflexion des optiques d'un faisceau LMJ. Une particule sur le chemin du faisceau va, suivant sa nature, absorber le rayonnement incident ou le réfléchir ou le diffuser. Dans tous les cas, cela se traduit par une perte d'énergie du faisceau laser.

Figure 2 : Endommagement laser sur une optique de silice contaminéeChambre d'expérience du Laser MégaJouleLa contamination moléculaire, quant à elle, aura des effets différents suivant la nature des traitements de surface de ces optiques. Quand les quantités sont faibles, les contaminants moléculaires s'adsorbent en gouttes ou en îlots à la surface des optiques. Leurs effets optiques sont identiques à ceux des particules de taille et de propriétés voisines. Dès lors que les quantités sont suffisantes pour former un film continu à la surface des optiques, les baisses en transmission ou en réflexion peuvent atteindre plusieurs pour cent. Ceci est inacceptable, surtout si ce problème de contamination moléculaire concerne un certain nombre d'optiques transmissives et/ou réfléchissantes par faisceau.

La présence de ces contaminations en surface d'un composant optique peut aussi, à certaines fluences (énergie par unité de surface : J/cm²), abaisser sa résistance à la tenue au flux laser. Elle conduit parfois à une modification irréversible du matériau appelée endommagement laser et illustrée figure 2.

Solutions adoptées en matière d'ultra-propreté

Pour éviter l'endommagement laser prématuré des optiques et obtenir la densité d'énergie souhaitée sur la cible, la conception, la réalisation et l'exploitation des lasers de puissance doivent répondre à des spécifications de propreté particulaire et moléculaire.

Elles concernent l'environnement ou les surfaces des optiques par référence aux normes ISO 14644 et au standard IEST-STD-CC1246D.

Maintenance des composants optomécaniques dans le hall d'expérience de la LIL (classe ISO 7)Ainsi, le faisceau laser traverse des environnements ISO 5 à ISO 7 sur la LIL et le LMJ. Chacun des sous-ensembles du LMJ doit être conçu, fabriqué, transporté et monté dans les halls du LMJ en respectant les spécifications de propreté. De même chacun des matériaux est qualifié avant utilisation dans la fabrication de tel ou tel équipement. C'est le cas, en particulier, des matériaux organiques qui sont testés en dégazage selon le test ASTM E1235-01. C'est un test accéléré de dégazage sous vide et en température. La perte de masse de l'échantillon au cours de ce test doit être inférieure à 1 % et la quantité recondensée doit être inférieure à 0,1 %.

Dans certains cas, on va aussi rechercher la nature chimique de la contamination dégazée par des analyses chimiques plus poussées en chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse après un cycle de thermodésorption spécifique.

Conclusion

La maîtrise de la propreté sur les lasers de puissance du CEA-CESTA impose une connaissance du danger des contaminations particulaire et moléculaire pour les optiques pour maintenir les performances des systèmes des lasers dans la durée (30 ans au moins) à moindre coût. Cette connaissance est aujourd'hui affinée grâce à des programmes de recherche dédiés et au retour d'expérience acquis sur la LIL.