Pour les besoins de la dissuasion, de l’énergie nucléaire ou des nouvelles technologies de l’information et de l’énergie, les chercheurs recueillent des données nucléaires et établissent des modèles toujours plus précis qui permettent de simuler des systèmes macroscopiques complexes où la physique nucléaire intervient.
En particulier, pour dépeindre de façon réaliste la grande variété de réactions nucléaires possibles, les modèles doivent être capables de décrire des phénomènes observables dans tous les atomes, des noyaux courants aux plus rares comme les
noyaux exotiques ou
superlourds.
Ces recherches permettent de comprendre le monde de l’infiniment petit tout autant que celui de l’infiniment grand : les étoiles sont le siège de réactions nucléaires qui mettent en jeu des noyaux qui n’existent pas sur la Terre. Pour les étudier, les chercheurs ont besoin de créer de tels noyaux « exotiques », grâce à des accélérateurs comme ceux du
Ganil (CEA-CNRS, Caen).
Pour optimiser les cœurs de réacteurs nucléaires, la Direction de l’énergie nucléaire du CEA travaille sur deux axes :
- une meilleure connaissance de l’interaction entre les neutrons et les noyaux fissiles pour optimiser les codes de calcul neutronique permettant de concevoir les cœurs de réacteurs,
- l’interaction des neutrons avec les matériaux de structure des réacteurs pour mieux comprendre les effets des irradiations et prédire le comportement à long terme. Dans ce dernier cas, des simulations sont effectuées avec l’accélérateur d’ion Jannus (Saclay), pour simuler par les ions les effets des irradiations aux neutrons. Jannus, comme le Ganil, font partie de la plateforme Emir (réseau nationale d’accélérateur pour les études des matériaux sous irradiation).
Dans le but d’améliorer les connaissances scientifiques qui alimentent le
programme Simulation portant aujourd’hui la garantie de la sûreté et de la fiabilité des armes nucléaires,
la Direction des applications militaires du CEA rassemble des équipes de physiciens, théoriciens et expérimentateurs, héritiers d’une longue tradition d’excellence de la France dans ce domaine. Celles-ci collaborent étroitement avec leurs collègues des directions de l’énergie nucléaire et de la recherche fondamentale du CEA, en particulier à travers l’
Espace de structure nucléaire théorique ainsi qu’avec la communauté scientifique internationale. Elles publient régulièrement leurs résultats.
Ainsi, ces équipes ont calculé, à partir d’une modélisation microscopique, certaines propriétés fondamentales de plus de 7 000 noyaux, établissant ainsi une base de données indispensable à de nombreuses communautés scientifiques (
disponible en ligne ici)
Elles mènent des expériences avec :
- leurs propres installations à CEA-Dam Ile-de-France (détection et mesure de données nucléaires sur un accélérateur de type tandem),
- des réacteurs nucléaires de recherche comme l'institut Laüe Langevin à Grenoble
- de grands lasers comme Omega au laboratoire de Rochester, aux Etats-Unis, ou bientôt le laser Mégajoule (LMJ) au CEA-Cesta (Bordeaux).
- les faisceaux du Ganil (CEA-CNRS, Caen), ceux de son homologue allemand, GSI (Darmstadt) ou bien encore ceux du Los Alamos Neutron Science Center (E-U.)
Accélérateur électrostatique (tandem Van de Graaf) Nenuphar (CEA-Dam Ile-de-France) © CEA
L’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA conduit des recherches fondamentales expérimentales et théoriques en physique nucléaire.
Le premier objectif de l’Irfu dans ce domaine est l’approfondissement des connaissances liées à l’une des quatre forces fondamentales : l’interaction forte, majoritairement à l’œuvre dans les noyaux d’atomes. Les physiciens de l’Irfu étudient les composants élémentaires du noyau atomique : les assemblages de quarks et de gluons. Ils étudient aussi l’interaction forte dans les assemblages de nucléons qui constituent les noyaux des différents atomes.
Les expériences sont réalisées au sein de collaborations nationales ou internationales, en liaison pour la plupart avec l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (CNRS- IN2P3) et avec d'autres directions du CEA. Les principales installations où les spécialistes de la physique nucléaire au CEA-Irfu conduisent leurs expériences sont : le Ganil (Caen), l’ILL (Grenoble) et Double Chooz (Chooz), en France ainsi que le GSI (Allemagne), Geel (Belgique), Jyväskylä (Finlande) et le Cern (Genève). Ils travaillent aussi aux Etats-Unis (Jefferson Lab en Virginie et MSU dans le Michigan), ainsi qu’au Japon (Riken).
Les analyses des données, ainsi que les activités théoriques, sont menées à Saclay grâce aux moyens informatiques propres à l’institut, ainsi que grâce à de gros centres de calculs tels que le TGCC, l’Idris, le CC-IN2P3 ou encore de la grille de calcul. Ces travaux sont la plupart du temps menés au sein de collaborations, nationales ou internationales.
Détecteur Must2 (fruit d’une collaboration CEA-Irfu/Ganil/CNRS-IN2P3), détecteur de particules légères chargées, installé sur le spectromètre Vamos au Ganil © CEA
Le Grand accélérateur national d'ions lourds (Ganil) a été créé par deux organismes de recherche associés, à parts égales, pour sa construction et son fonctionnement : le CEA et le CNRS, avec l’appui financier des collectivités territoriales autour de Caen. La décision de construction a été prise en août 1975 et la première expérience réalisée en janvier 1983. Disposant d’un complexe de sources, d’accélérateurs et de séparateurs pour des faisceaux d’ions radioactifs de très grande ampleur, le Ganil est l’un des quatre plus grands laboratoires au monde pour la recherche avec des faisceaux d’ions.
Les domaines d’expérimentation s’étendent de la radiothérapie à la physique de l’atome et de son noyau, de la matière condensée à l’astrophysique. En physique nucléaire, le Ganil a permis de nombreuses découvertes sur la structure du noyau de l’atome, sur ses propriétés thermiques et mécaniques, et sur les noyaux que l’on dit exotiques, car n’existant pas à l’état naturel sur Terre. A l’horizon 2017, le laboratoire accroît encore sa capacité expérimentale avec Spiral 2, qui va permettre d’exploiter des faisceaux d’ions lourds stables à des intensités inégalée et doter le Ganil, pour la première fois, de faisceaux très intenses de particules légères et de neutrons.
Vue générale du Ganil (CEA-CNRS, Caen) et de Spiral 2 © Ganil