Les programmes du CEA
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PA R T I E<br />
1<br />
LES PROGRAMMES DU <strong>CEA</strong><br />
1 / A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE ET RECHERCHES<br />
FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
> Énergie nucléaire de fission<br />
Systèmes in<strong>du</strong>striels nucléaires <strong>du</strong> futur – Réacteurs de 4 e génération<br />
– Optimisation <strong>du</strong> nucléaire in<strong>du</strong>striel actuel – Réacteurs de 2 e<br />
et 3 e générations – Amont et aval <strong>du</strong> cycle – Sûreté nucléaire<br />
– Grands outils pour le développement <strong>du</strong> nucléaire – Assainissement<br />
et démantèlement – Gestion des flux de déchets et des matières<br />
> Énergies renouvelables et nouvelles technologies de l’énergie<br />
Solaire – Véhicules électriques et hybrides – Matériaux innovants<br />
– Hydrogène et piles à combustible – Biocarburants de 2 e et<br />
3 e générations – Réseaux intelligents – Stockage de l’énergie<br />
> Recherche fondamentale sur les énergies bas carbone<br />
Energie de fusion – Recherche sur les relations énergie/climat<br />
et environnement – Chimie et interactions rayonnement-matière<br />
– Radiobiologie – Toxicologie – Recyclage chimique <strong>du</strong> CO 2<br />
P.10/29<br />
1 / B<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ<br />
GLOBALE ET RECHERCHES<br />
DE BASE ASSOCIÉES<br />
> Têtes nucléaires<br />
> Programme Simulation<br />
> Ouverture à la communauté scientifique<br />
des moyens <strong>du</strong> programme Simulation<br />
> Moyens de calcul<br />
> Propulsion nucléaire<br />
> Démantèlement et assainissement<br />
des installations de matières fissiles<br />
> Lutte contre la prolifération et le terrorisme,<br />
sécurité globale<br />
> Défense conventionnelle<br />
> Recherche de base<br />
Physique nucléaire – Physique <strong>du</strong> solide –<br />
Molécules énergétiques – Matériaux<br />
P.30/37<br />
8 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
1 / C<br />
TECHNOLOGIES POUR L’INFORMATION<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
> Micro et nanotechnologies<br />
> Recherche fondamentale en nanosciences<br />
> Télécoms et objets communicants<br />
> Technologies logicielles et ingénierie numérique<br />
P.38/45<br />
1 / D<br />
TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES<br />
ASSOCIÉES<br />
> Biologie structurale intégrative<br />
> Biologie à grande échelle : génomique, protéomique,<br />
métabolomique<br />
> Imagerie médicale<br />
> Nouvelles stratégies diagnostiques et thérapeutiques<br />
> Recherche fondamentale<br />
P.46/55<br />
1 / E<br />
TRÈS GRANDES<br />
INFRASTRUCTURES<br />
DE RECHERCHE<br />
ET RECHERCHES<br />
FONDAMENTALES<br />
ASSOCIÉES<br />
P.56/59<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 9
1A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES<br />
ASSOCIÉES<br />
Temps forts<br />
Décontamination <strong>du</strong> site de Fukushima<br />
Des spécialistes de la Direction de l’énergie nucléaire <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
se sont mobilisés en soutien aux équipes d’Areva pour concevoir<br />
et optimiser un procédé de décontamination des eaux utilisées<br />
pour refroidir les cœurs des réacteurs endommagés <strong>du</strong> site<br />
de Fukushima. Leurs compétences ont permis de proposer<br />
des réactifs chimiques pertinents pour séparer les radionucléides<br />
les plus contaminants et optimiser les conditions de fonctionnement<br />
<strong>du</strong> procédé de traitement. Grâce à l’installation Actiflo-Rad,<br />
un des éléments mis en œuvre sur le site de Fukushima<br />
pour traiter les effluents contaminés, ce sont 190 000 tonnes<br />
d’eaux contaminées qui ont été traitées fin décembre.<br />
10 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Contribuer<br />
à l’indépendance<br />
énergétique<br />
et lutter contre<br />
le réchauffement<br />
climatique.<br />
Parking solaire avec bornes<br />
de recharge pour véhicules<br />
électriques.<br />
Accumulateurs lithium-ion soufre<br />
En complément <strong>du</strong> développement des technologies très<br />
prometteuses de première génération <strong>du</strong> type Li-ion,<br />
le <strong>CEA</strong> s’intéresse depuis plusieurs années à diverses solutions<br />
alternatives (Li/air, Li/soufre, Li-organique, Li-ion aqueux…).<br />
Parmi celles-ci, la technologie lithium/soufre (Li/S) devrait<br />
permettre d’atteindre des densités d’énergie massiques<br />
de l’ordre de 300 à 600 Wh/kg.<br />
<strong>Les</strong> premiers essais de prototypages d’accumulateurs Li/S<br />
de 1 Ah ont pu être réalisés, restituant près de 250 Wh/kg<br />
de cellule, ils intéressent plusieurs in<strong>du</strong>striels.<br />
Pile à combustible : performance<br />
et <strong>du</strong>rabilité d’un assemblage<br />
membrane-électrode<br />
<strong>Les</strong> développements technologiques ont porté sur la diminution<br />
de la quantité de platine (Pt) par kW en vue de diminuer le coût<br />
des piles PEMFC, pour un futur déploiement in<strong>du</strong>striel. Le Liten a<br />
réussi en 2011 à fabriquer des assemblages membrane-électrodes<br />
(AME) de grande surface (220 cm²) avec un chargement de 0,32 g<br />
de Pt/kW à puissance maximum. Un AME a fonctionné dans une<br />
petite pile pendant plus de 200 heures sans perte de performance.<br />
Le Liten a démontré ainsi sa maîtrise, en réalisant des AME de<br />
grande surface très faiblement chargés en platine et performants.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 11
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
ÉNERGIE NUCLÉAIRE DE FISSION<br />
Le <strong>CEA</strong> apporte aux pouvoirs publics et aux in<strong>du</strong>striels les éléments<br />
d’expertise et d’innovation pour le développement d’un nucléaire<br />
<strong>du</strong>rable, sûr et économiquement compétitif. Il con<strong>du</strong>it ses recherches<br />
selon trois axes majeurs : les systèmes nucléaires <strong>du</strong> futur,<br />
l’optimisation <strong>du</strong> nucléaire in<strong>du</strong>striel actuel, et les grands outils<br />
expérimentaux et de simulation indispensables à ces études.<br />
Par ailleurs, le <strong>CEA</strong> gère et fait évoluer son parc d’installations,<br />
avec des <strong>programmes</strong> de construction, de rénovation,<br />
et des <strong>programmes</strong> d’assainissement et de démantèlement<br />
de ses installations en fin de vie.<br />
Enceinte <strong>du</strong> réacteur Astrid.<br />
SYSTÈMES INDUSTRIELS<br />
NUCLÉAIRES DU FUTUR<br />
Réacteurs de quatrième génération<br />
Le <strong>CEA</strong> est chargé de mener des recherches<br />
sur des systèmes nucléaires innovants, dits de<br />
quatrième génération, en rupture technologique<br />
forte par rapport aux précédentes générations<br />
de réacteurs. Il concentre ses recherches sur<br />
deux filières de réacteurs à neutrons rapides<br />
(RNR), une filière refroidie au sodium, avec<br />
le projet de prototype Astrid, dont le <strong>CEA</strong> est<br />
maître d’ouvrage, et une filière refroidie au<br />
gaz, qui apparaît comme une option à plus long<br />
terme. L’objectif est de disposer en 2012 d’une<br />
première évaluation des perspectives in<strong>du</strong>strielles<br />
de cette nouvelle filière, réacteur et cycle <strong>du</strong><br />
combustible associé, en vue de faire fonctionner<br />
un prototype in<strong>du</strong>striel à l’horizon 2020-2025.<br />
2011 a été marquée par la mise en place d’un<br />
ensemble de briques qui permettront de répondre<br />
à cette échéance. Le projet Astrid bénéficie<br />
d’un soutien dans le cadre <strong>du</strong> programme<br />
des investissements d’avenir. La 1 e phase de<br />
l’avant-projet sommaire d’Astrid a été lancée<br />
en début d’année. L’équipe constituée pour le<br />
réaliser est composée d’environ 500 personnes<br />
(salariés <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> (60 %) et salariés d’Areva, EDF,<br />
Alstom et Onet Technologies (40 %)). La mise en<br />
place d’accords de partenariats dans le domaine<br />
in<strong>du</strong>striel et de la R&D s’est aussi poursuivie<br />
tout au long de l’année, plus particulièrement<br />
Coeur CFV <strong>du</strong> prototype Astrid.<br />
avec des partenaires internationaux majeurs<br />
de la filière des RNR refroidis au sodium<br />
(Russie, Japon, Chine, Inde, USA).<br />
Parmi les résultats de 2011, on peut noter<br />
la définition et les études d’un concept de cœur<br />
d’Astrid, dit cœur à faible vidange, présentant<br />
des avancées majeures en termes de sûreté.<br />
Ce cœur doit permettre d’éviter l’ébullition<br />
<strong>du</strong> sodium lors des situations accidentelles<br />
de perte de réfrigérant primaire. Un brevet<br />
<strong>CEA</strong>-Areva-EDF a été déposé sur ce concept.<br />
Outre la conception <strong>du</strong> réacteur, le projet<br />
Astrid couvre la conception de son atelier de<br />
fabrication <strong>du</strong> combustible, la construction<br />
d’installations de validation technologique, la<br />
rénovation de la maquette critique Masurca<br />
et un programme spécifique sur les accidents<br />
graves et les études sur les objectifs de<br />
transmutation dans ce réacteur. En 2011,<br />
les études de faisabilité et d’opportunité ont<br />
été réalisées pour l’atelier de fabrication des<br />
cœurs, l’atelier de traitement <strong>du</strong> combustible<br />
et l’atelier Alfa de fabrication de combustibles<br />
chargés en actinides mineurs à l’échelle de<br />
quelques aiguilles. Le cahier des charges de<br />
12 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Pa L’objectif sinum quature est de disposer icipictem en ni 2012 que aut d’une maiorec première aepudipsam évaluation<br />
ut des ommo perspectives offictur aute in<strong>du</strong>strielles consequi de ullesti la filière nveliquo de 4 e génération,<br />
cores illupid<br />
réacteur quam et es cycle quis <strong>du</strong> explaut combustible et aut pos associé, modipien<strong>du</strong>nt vue de a réaliser sunti<br />
volo un prototype eaquae vellupt in<strong>du</strong>striel aquatur à l’horizon 2020.<br />
Simulation pour la conception de réacteurs à neutrons rapides de 4 e génération sur le mur d’images à Saclay.<br />
l’atelier de fabrication des cœurs a notamment<br />
été précisé pour permettre le lancement des<br />
études d’avant-projet sommaire en 2012.<br />
Aval <strong>du</strong> cycle futur<br />
En cohérence avec les études sur le prototype<br />
Astrid, le <strong>CEA</strong> mène des recherches sur<br />
l’aval <strong>du</strong> cycle futur. Ces recherches visent à<br />
préparer l’ensemble des options de gestion des<br />
matières nucléaires pour les parcs des RNR en<br />
mettant au point les procédés avancés pour<br />
le recyclage de l’uranium et <strong>du</strong> plutonium.<br />
Dans ce cadre, et conformément aux attentes<br />
de la loi de 2006 relative à la gestion <strong>du</strong>rable<br />
des matières et déchets radioactifs, le <strong>CEA</strong><br />
évalue les options de séparation et de<br />
transmutation des radioéléments à vie longue<br />
(les actinides mineurs), en incluant des études<br />
de scénarii et des évaluations technicoéconomiques,<br />
dans l’objectif d’en déterminer<br />
les perspectives in<strong>du</strong>strielles et l’opportunité.<br />
Intervention au télémanipulateur dans la chaîne<br />
blindée procédé Atalante à Marcoule.<br />
Parmi les avancées de l’année 2011, on peut<br />
noter la réalisation en laboratoire d’un essai<br />
de nouveau solvant visant à augmenter<br />
les performances des usines de traitement<br />
de combustibles. <strong>Les</strong> résultats sont très<br />
prometteurs. Ce solvant permettrait de ré<strong>du</strong>ire<br />
le nombre d’étapes nécessaires au traitement <strong>du</strong><br />
combustible usé, en simplifiant considérablement<br />
les procédés de récupération et de purification<br />
de l’uranium et <strong>du</strong> plutonium (concept en un<br />
seul cycle, sans réactions d’oxydo-ré<strong>du</strong>ction<br />
génératrices de sous-pro<strong>du</strong>its délicats à gérer).<br />
OPTIMISATION<br />
DU NUCLÉAIRE<br />
INDUSTRIEL ACTUEL<br />
Réacteurs de 2 e et 3 e générations<br />
Le <strong>CEA</strong> mène des recherches, à la demande des<br />
in<strong>du</strong>striels, sur les réacteurs <strong>du</strong> parc nucléaire<br />
actuel. Elles répondent à des enjeux in<strong>du</strong>striels<br />
en termes de performances, de <strong>du</strong>rée de<br />
fonctionnement, de disponibilité et de sûreté.<br />
En 2011 a été franchi un jalon majeur <strong>du</strong> projet<br />
de qualification de la nouvelle méthodologie de<br />
dépouillement de la dosimétrie <strong>du</strong> programme<br />
de surveillance des effets de l’irradiation sur<br />
la cuve des réacteurs <strong>du</strong> parc EDF. Il s’agit d’un<br />
document de synthèse identifiant plusieurs<br />
points d’amélioration, ce qui a permis de ré<strong>du</strong>ire<br />
significativement l’écart calcul-mesure sur la<br />
fluence calculée à la capsule et à la cuve des<br />
réacteurs <strong>du</strong> palier 900 MW. La démarche adoptée<br />
pour ce travail de vérification et d’analyse de<br />
sensibilité comportait deux volets. D’une part<br />
la vérification des différents « traitements »<br />
réalisés sur les données par les codes de calcul,<br />
et, pour chaque traitement, des données d’entrée<br />
et des résultats. D’autre part une analyse critique<br />
de certaines modélisations adoptées dans la<br />
méthodologie. Il reste maintenant à étendre<br />
ces considérations aux paliers 1 300 MWe et<br />
N4 <strong>du</strong> parc français. L’enjeu de cette action est<br />
stratégique pour EDF puisqu’elle s’intègre dans<br />
la justification à l’Autorité de sûreté nucléaire<br />
(ASN) de sa demande de prolongation de la<br />
<strong>du</strong>rée de fonctionnement de ses centrales<br />
au-delà de la quatrième visite décennale, et<br />
potentiellement jusqu’à 20 ans au-delà.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 13
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
ÉNERGIE NUCLÉAIRE DE FISSION<br />
Plateforme de creuset froid avancé<br />
à Marcoule.<br />
Amont <strong>du</strong> cycle actuel<br />
<strong>Les</strong> recherches sur l’amont <strong>du</strong> cycle prennent<br />
de plus en plus d’importance, la gestion <strong>du</strong>rable<br />
de la ressource par nature limitée en uranium et<br />
les besoins de renouvellement des installations<br />
nécessitant d’améliorer à la fois les performances<br />
d’extraction et la sélectivité des molécules.<br />
En 2011, après trois ans de recherche,<br />
le <strong>CEA</strong> a développé des molécules et des<br />
procédés plus performants que les systèmes<br />
classiques. En particulier, pour l’extraction de<br />
l’uranium des phosphates, la structure d’une<br />
molécule a été optimisée con<strong>du</strong>isant à une<br />
amélioration notable par rapport aux deux<br />
molécules actuellement utilisées. <strong>Les</strong> schémas<br />
de procédés seront validés à petite échelle<br />
et en fonctionnement continu dès 2012.<br />
Dans le domaine de la séparation isotopique,<br />
le <strong>CEA</strong> a développé les outils de simulation<br />
<strong>du</strong> procédé Silex, en phase d’in<strong>du</strong>strialisation<br />
par GLE (Global Laser Enrichment, société<br />
commune à General Electric, Hitachi et Cameco),<br />
et réalise une veille technologique active.<br />
L’ensemble des études réalisées sur les procédés<br />
d’enrichissement permet de maintenir les<br />
compétences dans ce domaine stratégique.<br />
Aval <strong>du</strong> cycle actuel<br />
<strong>Les</strong> <strong>programmes</strong> s’opèrent en soutien d’Areva<br />
pour optimiser ou adapter les procédés de<br />
traitement des combustibles usés de l’usine<br />
de La Hague, et tenir compte notamment des<br />
nouveaux combustibles <strong>du</strong> marché ; de l’Andra<br />
pour fournir les éléments scientifiques et<br />
techniques nécessaires aux dossiers Cigéo<br />
qui seront transmis fin 2012 à l’ASN en vue<br />
<strong>du</strong> débat public (cf page 17) ; et d’EDF pour la<br />
gestion de certains déchets dont ceux issus<br />
<strong>du</strong> démantèlement des réacteurs UNGG.<br />
Dans ce cadre, le <strong>CEA</strong>, en tant que bailleur de<br />
procédé, a remis en 2011 à Areva la version<br />
finale <strong>du</strong> livre de procédé « Vitrification en<br />
creuset froid ». Ce document fondamental<br />
décrit les appareillages et formalise toutes les<br />
exigences et recommandations issues de la<br />
R&D pour toutes les phases de fonctionnement<br />
L’installation Verdon à Cadarache, dédiée<br />
à l’étude <strong>du</strong> comportement des pro<strong>du</strong>its<br />
de fission lors d’un accident grave.<br />
(nominales, transitoires ou dégradées). Ces<br />
données permettent à l’in<strong>du</strong>striel la déclinaison<br />
en procé<strong>du</strong>res d’exploitation afin de pro<strong>du</strong>ire<br />
un verre de confinement répondant aux critères<br />
de performances qui sont atten<strong>du</strong>s. Cette<br />
version finale <strong>du</strong> livre de procédé intègre les<br />
spécifications pour la pro<strong>du</strong>ction <strong>du</strong> verre MAD<br />
(mis à l’arrêt définitif), des verres UMo (d’alliage<br />
d’uranium et de molybdène, issus de la filière<br />
UNGG) et UOx (oxyde d’uranium, issu de la filière<br />
actuelle). <strong>Les</strong> données <strong>du</strong> livre de procédé sont<br />
issues des essais réalisés depuis 2005 sur la<br />
plateforme d’essai à échelle 1 à Marcoule sur<br />
laquelle est installé le creuset froid nucléarisé.<br />
Sûreté nucléaire<br />
L’année 2011 a été marquée par l’accident<br />
à la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi.<br />
Le <strong>CEA</strong>, comme ses partenaires, s’est engagé à<br />
tirer tous les enseignements de cet accident et<br />
à intégrer ce retour d’expérience dans le cadre<br />
de sa démarche permanente d’amélioration<br />
<strong>du</strong> niveau de sûreté de ses installations.<br />
Dès la survenue de l’accident, une équipe<br />
d’experts <strong>du</strong> fonctionnement des réacteurs, des<br />
accidents graves, de l’assainissement et de la<br />
décontamination a été mobilisée pour analyser<br />
<strong>du</strong>rant deux mois la situation des réacteurs<br />
japonais et des installations connexes (cf temps<br />
fort page 10). Si cet accident n’a pas remis en<br />
cause la démarche de sûreté nucléaire, il a mis<br />
l’accent sur les priorités. D’abord la volonté<br />
d’améliorer la défense en profondeur. C’est tout<br />
l’enjeu des évaluations complémentaires de<br />
sûreté qui ont été réalisées à la demande de<br />
l’ASN, sur cinq installations civiles <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> en<br />
2011 et qui se poursuivront sur sept autres en<br />
2012. La seconde priorité réside dans les activités<br />
de R&D. L’accident japonais n’a pas révélé de<br />
lacune majeure dans le champ des connaissances<br />
et dans les objectifs de R&D, en revanche il a<br />
souligné la nécessité d’assurer sur le long terme<br />
ces <strong>programmes</strong> de R&D et la pérennité des<br />
installations associées. À ce sujet, le premier essai<br />
Verdon a été réalisé en 2011 dans une nouvelle<br />
14 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Le chantier <strong>du</strong> RJH à Cadarache.<br />
Plateforme de multi-irradiation Jannus à Saclay.<br />
installation destinée à l’étude <strong>du</strong> relâchement<br />
de pro<strong>du</strong>its de fission de combustible à haut taux<br />
de combustion en conditions d’accidents graves.<br />
Cet essai a permis de valider les performances<br />
de l’installation. <strong>Les</strong> enseignements en termes de<br />
comportement des pro<strong>du</strong>its de fission en fonction<br />
des conditions oxydo-ré<strong>du</strong>ctrices de l’atmosphère<br />
semblent déjà très riches. <strong>Les</strong> analyses sont<br />
en cours et se poursuivront en 2012.<br />
GRANDS OUTILS<br />
POUR LE DÉVELOPPEMENT<br />
DU NUCLÉAIRE<br />
<strong>Les</strong> recherches pour les systèmes <strong>du</strong> futur ou<br />
actuels nécessitent des outils expérimentaux<br />
et de simulation spécifiques. Dans ce cadre, le<br />
<strong>CEA</strong> développe et exploite un parc complet et<br />
cohérent d’installations expérimentales ainsi<br />
que des plateformes logicielles et des codes de<br />
calcul dans les grandes disciplines <strong>du</strong> nucléaire.<br />
Installations expérimentales<br />
La construction <strong>du</strong> Réacteur Jules Horowitz (RJH)<br />
à Cadarache est un projet majeur pour le <strong>CEA</strong>.<br />
Seul outil de ce type en construction en Europe,<br />
le RJH sera à terme une installation unique pour<br />
l’étude des matériaux et des combustibles sous<br />
irradiation, en soutien aux réacteurs nucléaires<br />
de deuxième et troisième génération. Il assurera<br />
aussi une part importante de la pro<strong>du</strong>ction de<br />
radio-isotopes médicaux européens. Pour son<br />
financement, le RJH bénéficie d’un soutien<br />
<strong>du</strong> programme « Nucléaire de demain » des<br />
investissements d’avenir. Le RJH est construit<br />
dans le cadre d’un consortium international<br />
(Areva, EDF, Europe, Vattenfall, DAE, SCK, NRI,<br />
VTT, Ciemat, JAEA), le <strong>CEA</strong> étant propriétaire,<br />
exploitant nucléaire et maître d’ouvrage de<br />
l’installation. 2011 a vu l’entrée de l’organisme<br />
israélien AEC dans ce consortium. Côté chantier,<br />
la construction s’est poursuivie avec le bétonnage<br />
des trois premières levées de l’enceinte <strong>du</strong><br />
réacteur et le début de celui de la piscine.<br />
Autre événement marquant en 2011,<br />
l’inauguration de l’installation expérimentale<br />
Jannus (Jumelage d’accélérateurs pour les<br />
nanosciences, le nucléaire et la simulation) le<br />
27 juin 2011 en présence de Valérie Pécresse,<br />
ministre de l’Enseignement supérieur et de la<br />
Recherche, et d’Eric Besson, ministre chargé<br />
de l’In<strong>du</strong>strie, de l’Énergie et de l’Économie<br />
numérique. Jannus permet de simuler par<br />
des particules chargées des irradiations<br />
neutroniques, afin d’approfondir entre autre la<br />
compréhension des phénomènes de vieillissement<br />
des matériaux nucléaires sous irradiation.<br />
Dans le domaine des matériaux, la plateforme<br />
Minos (Materials innovation for nuclear optimized<br />
systems), qui réunit les compétences et les<br />
moyens de la Direction de l’énergie nucléaire<br />
dans ce domaine, a signé un accord d’association<br />
avec EDF R&D en décembre 2011. Cet accord<br />
est complété par un second entre le <strong>CEA</strong> et le<br />
MAI (Material ageing institute) d’EDF. L’objectif<br />
est d’accroître les interactions entre le <strong>CEA</strong><br />
et EDF depuis les aspects formation jusqu’à<br />
la préparation de propositions communes<br />
pour les projets de l’Agence nationale de la<br />
recherche (ANR) ou les projets européens.<br />
Simulation numérique<br />
Le <strong>CEA</strong> développe des plateformes et des codes<br />
de calcul dans tous les grands domaines <strong>du</strong><br />
nucléaire (neutronique, thermo-hydraulique,<br />
mécanique, thermique, chimie et matériaux)<br />
afin de modéliser l’ensemble des phénomènes<br />
entrant en jeu dans un réacteur.<br />
L’année 2011 a été ponctuée par la mise à<br />
disposition d’Areva et d’EDF d’une première<br />
version d’Apollo3®, code de neutronique<br />
déterministe multi-filières développé par le<br />
<strong>CEA</strong>, marquant ainsi la naissance officielle de<br />
ce code. Il sera mis en œuvre à partir de 2015<br />
par les équipes de la Direction de l’énergie<br />
nucléaire pour les études d’avant-projet détaillé<br />
d’Astrid. À noter aussi la mise en service fin<br />
2011 <strong>du</strong> mur d’images de la Direction de<br />
l’énergie nucléaire à Saclay, un outil coopératif<br />
de visualisation et d’analyse des données pour<br />
toutes les communautés de physiciens. Il offre<br />
une capacité de visualisation simple et globale<br />
des simulations numériques, complexes et<br />
détaillées, réalisées dans le domaine de l’énergie<br />
nucléaire. Des simulations variées y sont étudiées<br />
portant par exemple sur le comportement <strong>du</strong><br />
combustible sous irradiation dans les réacteurs<br />
actuels, ou sur des scénarii accidentels en<br />
soutien à la conception <strong>du</strong> réacteur Astrid.<br />
Simulation sur le mur d’images de Saclay <strong>du</strong><br />
comportement <strong>du</strong> combustible dans un réacteur<br />
nucléaire.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 15
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
ÉNERGIE NUCLÉAIRE DE FISSION<br />
Démantèlement <strong>du</strong> réacteur Mélusine à Grenoble.<br />
Réacteur expérimental Phénix à Marcoule.<br />
ASSAINISSEMENT<br />
ET DÉMANTÈLEMENT<br />
Con<strong>du</strong>ire des recherches dans le domaine<br />
nucléaire implique de mener en parallèle des<br />
<strong>programmes</strong> de construction et de rénovation<br />
d’installations ainsi que des <strong>programmes</strong> de<br />
démantèlement des installations en fin de vie.<br />
Gérer ce démantèlement de façon responsable<br />
est un des objectifs majeurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>.<br />
<strong>Les</strong> principales priorités à court et moyen terme<br />
sont les suivantes :<br />
<br />
de l’usine de retraitement UP1 et le démarrage<br />
des opérations pour le réacteur Phénix, mis à<br />
l’arrêt en 2010 ;<br />
<br />
<strong>du</strong> périmètre des installations nucléaires<br />
de base ;<br />
<br />
l’ensemble des installations nucléaires <strong>du</strong> site.<br />
Chantiers de démantèlement<br />
L’année 2011 a été marquée par la validation<br />
par des audits externes des scénarii et des<br />
révisions de devis proposés en 2010 et la<br />
présentation de cette stratégie aux autorités<br />
de sûreté. Ces audits ont été réalisés par trois<br />
cabinets externes (Mac Kinsey, Mazars et<br />
KPMG) avec l’appui d’une ingénierie nucléaire<br />
(Tractebel) pour les aspects techniques et validés<br />
en Conseil d’administration le 13 avril 2011.<br />
Parmi les avancées majeures concernant ces<br />
projets de démantèlement, on peut citer :<br />
<br />
négociations post 2010, <strong>du</strong> nouveau schéma<br />
in<strong>du</strong>striel de démantèlement de l’usine UP1,<br />
ce qui permet de relancer les opérations de<br />
ce chantier prioritaire ; l’envoi à La Hague<br />
des premiers combustibles issus <strong>du</strong> réacteur<br />
Phénix destinés à y être traités, suite à la<br />
contractualisation finalisée fin novembre entre<br />
le <strong>CEA</strong> et Areva ; en décembre 2011, l’envoi<br />
conformément au planning, des rapports de<br />
sûreté pour le démantèlement de l’APM (Atelier<br />
pilote de Marcoule) au DSND (Délégation à<br />
la sûreté nucléaire et à la radioprotection<br />
pour les activités et installations intéressant<br />
la Défense) et de Phénix à l’ASN.<br />
<br />
importantes ont été réalisées : trois nouvelles<br />
chaînes blindées ont été démantelées en 2011 ;<br />
le démantèlement de la chaîne Gascogne a été<br />
terminé en avance par rapport au planning.<br />
Des difficultés existent sur ce chantier<br />
complexe, qui avaient amené à réviser son<br />
scénario en 2010. En 2011, l’annonce a été<br />
faite à l’ASN que tous les jalons 2017-2018<br />
ne pourront être tenus, l’objectif est de tenir<br />
les échéances décrets pour toutes celles<br />
qui sont désormais encore réalisables.<br />
<br />
avec notamment la fin de la déconstruction<br />
totale des bâtiments de la Station de traitement<br />
des effluents et de déchets radioactifs en<br />
toute fin d’année, l’homologation par un<br />
arrêté <strong>du</strong> journal officiel <strong>du</strong> déclassement de<br />
Mélusine. Ces avancées devraient permettre<br />
de tenir le jalon 2012 <strong>du</strong> contrat d’objectifs<br />
et de performance <strong>CEA</strong>-Etat, à savoir la fin <strong>du</strong><br />
démantèlement de toutes les INB <strong>du</strong> site.<br />
Gestion des flux de déchets et des matières<br />
La gestion des flux de déchets radioactifs, des<br />
matières et des combustibles sans emploi est un<br />
enjeu essentiel pour permettre le déroulement<br />
nominal des activités de R&D et des <strong>programmes</strong><br />
d’assainissement et de démantèlement. <strong>Les</strong><br />
objectifs principaux pour le <strong>CEA</strong> sont de disposer<br />
de filières opérationnelles permettant d’évacuer<br />
en ligne les déchets radioactifs courants, et ceci<br />
16 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Entreposage provisoire des combustibles irradiés issus des réacteurs d’étude <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> (Pégase, Orphée, Osiris, Rapsodie...).<br />
dans un contexte technico-économique optimisé.<br />
En 2011, dans le cadre des études de conception<br />
<strong>du</strong> Centre in<strong>du</strong>striel de stockage géologique pour<br />
les déchets HA et MA-VL* Cigéo, dont l’Andra<br />
est maître d’ouvrage, le <strong>CEA</strong> a établi l’inventaire<br />
de ses colis de déchets HA et MA-VL, ainsi que<br />
des chroniques prévisionnelles d’expédition des<br />
colis de déchets depuis ses sites d’entreposage<br />
de Marcoule, Cadarache et Val<strong>du</strong>c. Le même<br />
exercice a été réalisé en parallèle par les<br />
autres pro<strong>du</strong>cteurs de déchets (EDF et Areva).<br />
L’inventaire, qui fondera la demande d’autorisation<br />
de création de Cigéo, dont le dépôt est prévu<br />
mi-2015, sera établi à partir <strong>du</strong> scénario in<strong>du</strong>striel<br />
fourni par les trois pro<strong>du</strong>cteurs, assorti de marges<br />
pour la gestion d’incertitudes d’inventaire.<br />
Des réserves sont ajoutées (essentiellement<br />
les graphites et bitumes de catégorie FA-VL**)<br />
pour prendre en compte des incertitudes sur<br />
les stratégies in<strong>du</strong>strielles ou la mise en place<br />
de nouvelles filières de gestion de déchets.<br />
Le démantèlement de la chaîne Gascogne<br />
à Fontenay-aux-Roses.<br />
Réception <strong>du</strong> premier emballage de matières fissiles non irradiées à Magenta.<br />
Installations de service nucléaire<br />
Pour gérer ses déchets, le <strong>CEA</strong> s’appuie sur un<br />
important parc d’installations de service nucléaire.<br />
Elles lui permettent d’entreposer ses matières<br />
nucléaires, de conteneuriser et d’entreposer<br />
les combustibles usés issus de ses réacteurs<br />
expérimentaux ou des expériences menées sur les<br />
combustibles EDF (avant envoi pour retraitement<br />
à La Hague) et de traiter ses effluents liquides et<br />
déchets solides. Beaucoup de ces installations,<br />
datant de la création des centres <strong>CEA</strong>, ont fait<br />
l’objet d’importants travaux de rénovation ou<br />
sont remplacées par de nouveaux bâtiments.<br />
En 2011, le Magasin d’entreposage alvéolaire<br />
Magenta de Cadarache a été mis en service.<br />
Le premier emballage de matières fissiles non<br />
irradiées y a été réceptionné le 15 février<br />
2011. Cette INB a été conçue pour assurer,<br />
pendant les 50 prochaines années, l’entreposage<br />
des matières fissiles solides non irradiées<br />
(ou faiblement irradiées) nécessaires aux<br />
<strong>programmes</strong> de recherche <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>, en prenant le<br />
relais <strong>du</strong> Magasin central des matières fissiles<br />
mis en service en 1962. L’année a aussi vu<br />
l’enclenchement de la phase d’études d’avantprojet<br />
détaillé de l’installation Diadem, la future<br />
installation d’entreposage de Marcoule qui<br />
recevra les déchets irradiants <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> qui ne<br />
sont pas acceptés dans les filières actuelles.<br />
Transports<br />
Pour transporter tous ces déchets et effluents,<br />
un parc d’emballages de transport est nécessaire.<br />
Le nouveau château IR500 n°2 a été mis en<br />
service en 2011 pour effectuer son premier<br />
transport de combustibles irradiés de Phénix vers<br />
l’APM. Cette rotation a permis de valider le mode<br />
opératoire de gestion de ce nouvel emballage,<br />
qui intègre notamment les recommandations en<br />
matière de facteurs humains et organisationnels.<br />
Ce nouvel emballage sera fortement sollicité pour<br />
les projets d’assainissement et démantèlement.<br />
* HA : haute activité - MA-VL : moyenne activité vie longue.<br />
** FA-VL : faible activité vie longue.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 17
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
ÉNERGIES RENOUVELABLES<br />
ET NOUVELLES TECHNOLOGIES DE L’ÉNERGIE<br />
<strong>Les</strong> recherches sur les nouvelles technologies de l’énergie contribuent<br />
au développement des énergies renouvelables, à l’efficacité énergétique<br />
et à la mise au point de matériaux innovants avec l’objectif de soutenir<br />
l’effort français de ré<strong>du</strong>ction de dépendances aux combustibles fossiles<br />
et de meilleure intégration des énergies renouvelables dans notre<br />
bouquet énergétique. <strong>Les</strong> priorités <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> s’articulent autour de trois<br />
axes : la pro<strong>du</strong>ction d’énergie solaire photovoltaïque et solaire thermique<br />
pour l’électricité, le stockage de l’électricité et le stockage thermique<br />
pour la pro<strong>du</strong>ction d’électricité ou directement de chaleur pour l’habitat,<br />
le développement des transports automobiles hybrides et électriques.<br />
Lingot de silicium pour études<br />
de développement.<br />
SOLAIRE<br />
Récepteur solaire pour Odeillo<br />
Le Laboratoire d’innovation pour les technologies<br />
des énergies nouvelles et les nanomatériaux<br />
(Liten) a mis en place un prototype d’absorbeur<br />
solaire sur un concept innovant de récepteur à<br />
plaques. La conception repose sur l’utilisation<br />
de tubes métalliques insérés dans une matrice<br />
également métallique con<strong>du</strong>ctrice. L’ensemble<br />
est placé dans un caisson métallique puis soudé<br />
par compression isostatique à chaud. L’avantage<br />
de ce concept repose sur la garantie d’une bonne<br />
<strong>du</strong>rée de vie de l’appareil. Cette technologie<br />
de fabrication a ainsi été retenue pour le futur<br />
absorbeur solaire prévu dans le cadre d’une unité<br />
pilote de centrale à tour. Il permettra la pro<strong>du</strong>ction<br />
d’électricité par turbine à gaz et énergie solaire<br />
sur le site de la centrale solaire de Thémis.<br />
Cellule Photosil monocristalline à 18 %<br />
<strong>Les</strong> outils <strong>du</strong> pilote Photosil, avec lequel travaille<br />
le Liten depuis plusieurs années, montrent<br />
désormais leur capacité à pro<strong>du</strong>ire des cellules<br />
de rendement élevé. Le procédé de purification<br />
« optimisé » comporte une étape d’extraction<br />
<strong>du</strong> bore par torche plasma réactive suivi de trois<br />
étapes de ségrégation pour le tirage d’un lingot<br />
monocristallin par la société Siltronix. Dans la<br />
zone <strong>du</strong> lingot la plus compensée et à partir<br />
d’une charge d’excellente pureté, un rendement<br />
maximal de 18 % a été mesuré sur les cellules.<br />
Étude sur l’intégration de panneaux<br />
photovoltaïques sur des toitures.<br />
Présérie d’un détecteur d’arc électrique<br />
au sein des installations PV<br />
En 2007, le Liten a développé et breveté<br />
un dispositif de protection des installations<br />
photovoltaïques (PV) contre les arcs électriques<br />
qui peuvent apparaître accidentellement dans<br />
une installation et provoquer des incendies. <strong>Les</strong><br />
développements des quatre années suivantes<br />
ont permis d’obtenir un système directement<br />
implémenté dans les boîtes de jonctions des<br />
panneaux PV. Il pourra communiquer sur<br />
son état à l’aide de la technologie de courant<br />
porteur, vers une unité centrale. Il aura<br />
également le pouvoir de coupure pour la mise<br />
en sécurité <strong>du</strong> système au niveau de chaque<br />
mo<strong>du</strong>le photovoltaïque, étape nécessaire à<br />
l’intervention des pompiers lors d’un incendie.<br />
Ce dispositif sera demandé en France dans la<br />
nouvelle norme C15-712-2 qui est en rédaction<br />
et à laquelle participent les experts <strong>du</strong> Liten.<br />
18 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
L’essor des systèmes photovoltaïques passe par une ré<strong>du</strong>ction<br />
des coûts de fabrication des panneaux à haut rendement,<br />
le développement de composants électroniques innovants<br />
ainsi que, plus globalement, la définition de nouvelles<br />
stratégies de gestion de l’énergie.<br />
Mesure de la température de surface sur un panneau solaire.<br />
Mise en service d’une centrale solaire<br />
avec des capteurs à calo<strong>du</strong>c<br />
Le <strong>CEA</strong> et la société Sophia-Antipolis énergie<br />
développement (SAED) collaborent pour inventer<br />
et réaliser une centrale solaire thermodynamique<br />
basse température. Le prototype de 400 kWe<br />
prévu doit permettre de valider les aspects<br />
techniques, les coûts d’investissements et la<br />
pro<strong>du</strong>ction d’un tel système. Une première<br />
boucle pilote de 100 kW thermique composée<br />
de 2 000 tubes pour une surface de captation<br />
solaire de 200 m² a été mise en service sur<br />
le site de Cadarache. De l’eau pressurisée à<br />
2-3 bars est utilisée comme fluide caloporteur<br />
dans les collecteurs. La température maximale<br />
<strong>du</strong> fluide est de 150 °C. Dans les calo<strong>du</strong>cs<br />
circulent quelques millilitres de n-heptane qui<br />
permettent le transfert d’énergie <strong>du</strong> calo<strong>du</strong>c<br />
vers le collecteur. Le programme d’essais<br />
visant la caractérisation des capteurs en<br />
ensoleillement réel sera lancé début 2012.<br />
Photovoltaïque organique<br />
VÉHICULES ÉLECTRIQUES<br />
ET HYBRIDES<br />
Moins de platine dans les pots catalytiques<br />
<strong>Les</strong> exigences réglementaires pour les rejets de<br />
l’automobile et les tensions internationales sur<br />
le platine exigent de développer des nouvelles<br />
technologies pour les pots catalytiques. Pour<br />
répondre à cet enjeu, le Liten met au point des<br />
catalyseurs innovants présentant une activité<br />
catalytique dans des conditions de température<br />
relativement basse (
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE<br />
SUR LES ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
Poste d’assemblage des packs batteries.<br />
Bobineuse sur la ligne d’assemblage des<br />
batteries lithium-ions.<br />
Accumulateurs lithium-ion soufre<br />
Le Liten étudie diverses solutions alternatives<br />
au lithium-ion. Parmi celles-ci, la technologie<br />
lithium/soufre (Li/S) devrait permettre d’atteindre<br />
des densités d’énergie massiques de l’ordre de<br />
300 à 600 Wh/kg. Le soufre est un élément<br />
bas coût, non toxique et abondant, ce qui en<br />
fait un matériau actif d’électrode positive<br />
très prometteur. Néanmoins, le système Li/S<br />
présente quelques inconvénients qui limitent<br />
les performances actuelles et contre lesquels<br />
travaille le Liten : isolation électronique des<br />
composés soufrés, dissolution de la matière active<br />
en décharge, capacité de décharge et tenue en<br />
cyclage trop faibles, autodécharge importante,<br />
sécurité liée à l’utilisation de lithium métal.<br />
L’ensemble des travaux réalisés dans le cadre<br />
d’une thèse a permis d’augmenter la capacité de<br />
décharge de 500 mAh/g (2008) à 1 400 mAh/g<br />
(2011), de ré<strong>du</strong>ire la chute de capacité en<br />
cyclage de 50 (2008) à 15 % (2011).<br />
Quelques premiers essais de prototypages<br />
d’accumulateurs Li/S de 1 Ah ont pu être réalisés<br />
à partir de ces développements, restituant près<br />
de 250 Wh/kg de cellule. Ces travaux intéressent<br />
plusieurs in<strong>du</strong>striels de premier rang mondial.<br />
Boîtiers « à géométrie variable » pour batteries<br />
<strong>Les</strong> cellules lithium-ion en boîtier rigide peuvent<br />
se décliner sous deux formes principales :<br />
cylindrique et prismatique. La première forme<br />
est déjà en cours d’in<strong>du</strong>strialisation sur la ligne<br />
pilote <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> Grenoble. <strong>Les</strong> actions initiées<br />
par le Liten vont permettre de proposer le<br />
second format en version prismatique bobiné.<br />
Celui-ci sera préparé en deux hauteurs suivant<br />
la même stratégie que celle déroulée sur les<br />
cellules cylindriques, à savoir 125 mm et 160 mm<br />
de haut, en basant le choix des dimensions sur<br />
plusieurs critères : conservation de la capacité des<br />
cellules cylindriques, utilisation des électrodes<br />
des cellules cylindriques, capacité volumique<br />
améliorée, augmentation de la surface potentielle<br />
de refroidissement, intégration d’un maximum<br />
de composants disponibles au laboratoire. <strong>Les</strong><br />
premiers échantillons ont été testés fin 2011.<br />
Le « pack Forewheel » tient ses promesses<br />
Le projet Forewheel a pour objectif de concevoir<br />
et intégrer un système batterie complet dans<br />
un véhicule Heuliez Will. Dans ce contexte,<br />
un pack composé de 10 mo<strong>du</strong>les en série,<br />
chacun d’entre eux comprenant 12 éléments<br />
Des nanofils pour l’énergie<br />
Pour le photovoltaïque de 3 e génération, l’Inac a développé des<br />
nanofils en silicium coniques destinés à piéger la lumière et<br />
collecter les porteurs de charge. Une version « branchée » de ces<br />
nanofils, déployant d’importantes surfaces, a été étudiée pour ses<br />
potentialités intéressantes dans les supercapacités et les batteries<br />
Li-ion. Plus classiques, des nanofils de silicium cylindriques ont été<br />
utilisés comme gabarit pour concevoir des nanotubes de platine<br />
optimisant l’efficacité de ce métal, utilisé comme catalyseur dans les<br />
piles à combustible.<br />
Nanostructuration <strong>du</strong> silicium :<br />
a) nanofils coniques pour le photovoltaïque de 3 e génération,<br />
b) « nano-arbres » pour les supercondensateurs ou batteries Li-ion,<br />
c) nanofils comme gabarit pour la synthèse de « nano-doigts »<br />
de platine pour les piles à combustible.<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
20 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Qualification des matériaux pour les composants d’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température.<br />
en série et 5 en parallèle de LiFeBatt 15 Ah<br />
(12S5P) assemblés au sein d’un caisson<br />
batterie adapté, a été réalisé au Liten.<br />
Le pack batteries a été testé sur le site de<br />
l’Institut national de l’énergie solaire (INES) pour<br />
valider ses performances et a fait l’objet d’une<br />
analyse de sécurité entre le <strong>CEA</strong> et Michelin, par<br />
la méthode des arbres de défaillance. Le pack a<br />
finalement été intégré au véhicule et testé en<br />
roulage sur la piste Michelin de Ladoux où il a<br />
été soumis à deux séries d’essais d’en<strong>du</strong>rance<br />
sur piste, et parcouru environ 10 000 km par<br />
session. À l’issue de ces essais, le pack batterie<br />
ne présente pas de baisse de performance<br />
prouvant la robustesse <strong>du</strong> concept utilisé.<br />
MATÉRIAUX INNOVANTS<br />
Inventaire des matériaux rares<br />
La ré<strong>du</strong>ction drastique de 40 % des quotas<br />
d’exportation chinois de terres rares en<br />
2010 a généré une prise de conscience de la<br />
dépendance de bon nombre de technologies sur<br />
ces matériaux pro<strong>du</strong>its à 97 % par la Chine.<br />
La dépendance d’une technologie sur un<br />
matériau jugé « à risque » peut en freiner<br />
le développement, voire en hypothéquer<br />
totalement l’intérêt commercial.<br />
Un premier inventaire sur base d’une enquête<br />
interne à la Direction de la recherche<br />
technologique a été effectué par le Liten afin<br />
d’identifier de tels usages, sur la base d’une liste<br />
relativement large de matériaux potentiellement<br />
sensibles. Il a permis d’établir une cartographie<br />
des usages au niveau macroscopique, révélant<br />
une dépendance en particulier sur les platinoïdes,<br />
certaines terres rares, mais aussi sur les éléments<br />
comme l’indium, le germanium, le gallium, le<br />
tantale. <strong>Les</strong> équipes ont été sensibilisées et ont<br />
lancé des recherches afin d’en ré<strong>du</strong>ire l’usage, de<br />
les subsituer ou les recycler.<br />
Caractérisation d’une LED bleue, mesure de<br />
puissance optique, spectres, caractéristiques<br />
courant-tension.<br />
Pictic : une plateforme pour l’électronique<br />
organique imprimée<br />
La Plateforme d’impression de composants pour les<br />
technologies de l’information de la communication<br />
et les capteurs, Pictic, a vu le jour au début de<br />
l’année 2011. Installée dans une salle blanche de<br />
400 m 2 de classe 1 000, elle propose aux in<strong>du</strong>striels<br />
un accès à un parc d’équipements conçus pour<br />
pouvoir imprimer des couches organiques ou<br />
inorganiques sur des substrats conformables et la<br />
possibilité de fabriquer des préséries de composants.<br />
Parmi les premières réalisations qui ont utilisé cet<br />
environnement, deux concernent des capteurs.<br />
Le premier de ces dispositifs est un capteur de<br />
température sur substrat flexible polyéthylène,<br />
le second un capteur de pression. La prochaine<br />
étape consistera à environner ces capteurs par un<br />
circuit logique à base de transistors organiques.<br />
Nanoparticules pour éclairage<br />
Il a été montré que la luminosité et la longueur<br />
d’onde de la lumière ambiante est importante<br />
non seulement pour l’exécution des tâches, mais<br />
qu’elles peuvent également avoir des effets<br />
biologiques : la régulation <strong>du</strong> système circadien<br />
humain, l’impact sur l’horloge biologique, l’humeur.<br />
Fort de ce constat, le Liten travaille sur la<br />
génération d‘éclairages intelligents en synthétisant<br />
des nanoparticules dans une couche de conversion<br />
située devant des LEDS. En jouant sur la taille<br />
et la nature chimique des nanoparticules, il est<br />
possible de repro<strong>du</strong>ire les variations de la lumière<br />
naturelle qui régulent le rythme biologique naturel.<br />
HYDROGÈNE<br />
ET PILES À COMBUSTIBLE<br />
Le <strong>CEA</strong>, leader mondial en brevets EVHT<br />
Depuis 2005, le <strong>CEA</strong> travaille sur la pro<strong>du</strong>ction<br />
d’hydrogène par Électrolyse de la vapeur d’eau<br />
à haute température (EVHT). Par le biais de ses<br />
différents <strong>programmes</strong> collaboratifs et in<strong>du</strong>striels,<br />
il intervient sur toute la chaîne, depuis les<br />
matériaux constituant les différents composants<br />
des électrolyseurs, les procédés permettant de<br />
les fabriquer jusqu’à leur mise en œuvre dans des<br />
empilements d’électrolyse de design innovant.<br />
Pour protéger sa propriété intellectuelle, le<br />
<strong>CEA</strong> a eu, depuis des années, une politique<br />
volontariste de dépôts de brevets. <strong>Les</strong> 16<br />
brevets déposés, dont 15 ces 5 dernières<br />
années, représentent près de 10 % des brevets<br />
mondiaux sur l’EVHT. Le <strong>CEA</strong> s’impose ainsi<br />
comme l’acteur majeur sur le domaine, sur<br />
lequel sont positionnés principalement des<br />
acteurs in<strong>du</strong>striels et majoritairement asiatiques<br />
(Toshiba avec 8 brevets, Mitsubishi avec 7).<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 21
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE<br />
SUR LES ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
Caractérisation des propriétés thermomécaniques<br />
des hydrures métalliques pour le stockage de<br />
l’hydrogène.<br />
Assemblage d’un empilement<br />
d’électrolyseur haute température<br />
sur banc d’essais.<br />
Le joint qui permettra l’exploit<br />
Pour l’électrolyse à haute température, la<br />
gestion des gaz et le maintien de l’étanchéité<br />
dans le temps constituent un véritable verrou.<br />
Le problème majeur réside dans le cyclage<br />
thermique de composants métalliques et<br />
céramiques fragiles présentant des coefficients<br />
d’expansion thermique différents.<br />
Le joint verre constitue jusqu’à présent la<br />
référence pour obtenir l’étanchéité entre ces<br />
composants, mais il casse après quelques<br />
cycles thermiques limitant drastiquement la<br />
<strong>du</strong>rée de vie de l’électrolyseur. Dans le cadre<br />
<strong>du</strong> projet ANR Email, un nouveau concept de<br />
joint a été développé et breveté par le <strong>CEA</strong>,<br />
Garlock et l’ENSMP. Il s’agit d’un joint métallique<br />
comportant une âme mixte céramique et<br />
métallique permettant le glissement dans le joint.<br />
Fabriqué par Garlock, il a été testé et a permis<br />
d’obtenir à 800 °C une étanchéité de 98 %.<br />
Un refroidissement sous charge a été ensuite<br />
effectué puis une remontée en température<br />
programmée, permettant de retrouver un<br />
niveau d’étanchéité supérieur à 92 % à 800 °C<br />
et démontrant la cyclabilité de ce joint.<br />
Stockage : succès des tests d’Agripac<br />
Le stockage de l’hydrogène via les hydrures<br />
métalliques présente l’avantage d’une<br />
bonne capacité volumique à basse pression,<br />
contrairement au stockage sous pression. Du fait<br />
de sa faible capacité massique, son utilisation<br />
pour les applications transport est réservée à<br />
des applications « niches » dites lourdes tels<br />
que les engins de chantiers ou agricoles.<br />
Le Liten développe en partenariat avec la<br />
société Massey Fergusson un prototype de<br />
réservoir à base d’hydrures pour tracteur<br />
agricole à pile à combustible. Le réservoir a été<br />
conçu selon un design original, valorisant deux<br />
brevets <strong>CEA</strong>. Un prototype capable d’absorber<br />
1,3 kg d’hydrogène a été conçu, fabriqué,<br />
assemblé et testé. <strong>Les</strong> premiers essais de<br />
chargement ont montré une cinétique répondant<br />
au cahier des charges <strong>du</strong> client à savoir un<br />
demi-chargement en moins de 30 minutes.<br />
Gestion de l’eau dans les piles à combustible<br />
<strong>Les</strong> performances et la <strong>du</strong>rée de vie des piles à combustible dépendent fortement de la teneur en<br />
eau. L’analyse de la gestion de l’eau dans des piles en fonctionnement, à l’aide de neutrons ou de<br />
rayons X, permet de mieux comprendre les phénomènes et de les modéliser.<br />
Vers une pile à combustible sans métaux nobles<br />
Le développement de l’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique demande de<br />
s’affranchir <strong>du</strong> platine comme catalyseur dans les piles à combustible. Après avoir montré l’efficacité<br />
de catalyseurs sans platine pour l’oxydation de l’hydrogène à l’anode, des catalyseurs sans métaux<br />
nobles, efficaces pour la ré<strong>du</strong>ction de l’oxygène à la cathode, ont été obtenus à l’Iramis.<br />
22 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Salle des bancs d’essais mono-cellules de piles à combustible de type PEMFC.<br />
Pile à combustible : AME de grande surface<br />
avec peu de platine<br />
<strong>Les</strong> développements technologiques ont porté<br />
sur la diminution de la quantité de platine<br />
utilisé par kW en vue de baisser les coûts des<br />
PEMFC (Proton exchange membrane fuel cell),<br />
pour un futur déploiement in<strong>du</strong>striel. Le Liten<br />
a réussi en 2011 à fabriquer des Assemblages<br />
membrane-électrodes (AME) de grande surface<br />
(220 cm²) avec un chargement minimum de<br />
0,32 g de Pt/kW à puissance maximum. L’AME<br />
a fonctionné dans un mini-empilement pendant<br />
plus de 200 heures sans perte de performance.<br />
Depuis plus d’un an, le Liten développe des<br />
assemblages membrane-électrodes (AME)<br />
de PEMFC de grande surface pour intégration<br />
dans des empilements de puissance.<br />
<strong>Les</strong> AME sont testés en mini-empilements sur<br />
les bancs dans les conditions opératoires type de<br />
l’application automobile et sous hydrogène pur.<br />
<strong>Les</strong> essais sont effectués avec des membranes<br />
<strong>du</strong> commerce et des membranes développées<br />
au Liten. Au vu de résultats très encourageants<br />
obtenus par les pro<strong>du</strong>its Liten, une ligne pilote<br />
de fabrication d’AME est en cours de réalisation<br />
au <strong>CEA</strong> de Grenoble permettant à terme de<br />
répondre aux cahiers des charges des partenaires<br />
et clients <strong>du</strong> Liten (voir temps forts page 11).<br />
BIOCARBURANTS<br />
DE 2 E ET 3 E GÉNÉRATIONS<br />
Vers un développement de la filière<br />
biocarburants<br />
Pour répondre aux enjeux nationaux et<br />
internationaux de la filière biocarburant<br />
de 2 e génération (liquide ou gazeux), il est<br />
nécessaire de développer un outil expérimental<br />
de gazéification à flux entraîné pouvant<br />
fonctionner à haute pression et haute<br />
température. C’est dans ce contexte que s’inscrit<br />
le projet <strong>du</strong> réacteur à flux entraîné Girofle<br />
au sein <strong>du</strong> Liten. Ce réacteur constituera un<br />
dispositif analytique unique en Europe.<br />
Le Liten travaille déjà à la mise en place de<br />
modèles décrivant de manière fiable et robuste<br />
le fonctionnement des réacteurs à flux entraîné<br />
et au développement d’un outil de simulation<br />
1D capable de représenter la physique des<br />
transformations au sein des réacteurs de<br />
gazéification. En complémentarité, il met aussi<br />
au point des outils de simulation 2D/3D à l’échelle<br />
<strong>du</strong> réacteur. La modélisation sur le réacteur Girofle<br />
sera utilisée pour mettre en service le nouveau<br />
réacteur à flux entraîné dont le Liten va s’équiper<br />
prochainement dans le cadre de l’Equipex<br />
Genepi (voir encadré) qui vient d’être retenu.<br />
L’indispensable « torréfaction »<br />
La torréfaction s’affirme comme un<br />
prétraitement prometteur de la biomasse<br />
avant sa gazéification dans un réacteur à<br />
flux entraîné. La torréfaction <strong>du</strong>re plusieurs<br />
dizaines de minutes à une température<br />
comprise entre 200 et 300 °C et s’apparente à<br />
un traitement thermique doux de la biomasse<br />
dans une atmosphère en défaut d’oxygène.<br />
Elle entraîne une perte de masse <strong>du</strong> solide et<br />
une pro<strong>du</strong>ction de gaz et d’espèces condensables<br />
potentiellement valorisables. Cette étape<br />
de prétraitement thermique est énergivore<br />
(classiquement 25 % <strong>du</strong> PCI). <strong>Les</strong> résultats<br />
de 2011 sont encourageants et permettent<br />
d’augmenter significativement le débit de poudre<br />
pro<strong>du</strong>it pour un coût énergétique ré<strong>du</strong>it.<br />
Étude de la torréfaction de particules de bois.<br />
Genepi, une plateforme innovante dédiée aux énergies nouvelles<br />
Le <strong>CEA</strong> décroche avec ses partenaires un équipement d’excellence (Equipex) adapté à la gazéification<br />
pour plateforme innovante dédiée aux énergies nouvelles. Ce projet vise à développer une plateforme<br />
expérimentale dédiée à la pro<strong>du</strong>ction de biocarburants de 2 e génération. Il comprend deux unités<br />
de retraitement et gazéification instrumentées et développera la 2 e génération de biocarburants<br />
issue de source lignocellulosique (bois, feuilles, paille, etc.), et non les graines ou les tubercules<br />
des plantes comme dans la 1 e génération. Ce projet unique en Europe va permettre à la France de<br />
disposer d’une plateforme fortement instrumentée, flexible, comprenant une unité de torréfaction et<br />
une unité de gazéification reliées entre elles, à une échelle de pro<strong>du</strong>ction de quelques kg/h, ouverte<br />
aux acteurs de la R&D.<br />
Genepi permettra aux PME, qui ne développent qu’un élément partiel d’une ligne de pro<strong>du</strong>ction et<br />
qui n’ont pas accès aux installations de grande taille, de tester leurs composants sur une installation<br />
de taille réaliste.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 23
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE<br />
SUR LES ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
Bioénergies<br />
Face à l’enjeu <strong>du</strong> développement des bioénergies,<br />
le <strong>CEA</strong> mène des recherches afin de mettre<br />
au point des carburants de 3 e génération.<br />
Ils sont élaborés dans une logique de nonconcurrence<br />
avec les cultures alimentaires<br />
et d’affranchissement d’une occupation des<br />
sols dédiés à la culture de la biomasse.<br />
Pour cela, deux grandes voies sont<br />
suivies par les scientifiques <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> :<br />
<br />
à pro<strong>du</strong>ire de l’hydrogène ou des composés<br />
carbonés énergétiques (lipides, éthanol…),<br />
identifier les verrous bloquants de ces<br />
pro<strong>du</strong>ctions et proposer des voies d’optimisation ;<br />
<br />
dérivées de la connaissance des mécanismes<br />
de la photosynthèse et des hydrogénases<br />
afin de définir de nouvelles stratégies pour la<br />
pro<strong>du</strong>ction photocatalytique d’hydrogène et<br />
le fonctionnement des piles à combustible.<br />
Dans le domaine de la pro<strong>du</strong>ction des<br />
biocarburants par les micro-algues, plusieurs<br />
avancées ont été marquantes. 2011 a vu<br />
l’inauguration de la plateforme technologique<br />
HélioBiotec, inscrite dans le contrat État-région,<br />
à Cadarache. Un partenariat in<strong>du</strong>striel y est mis<br />
en place avec la société Fermentalg, pionnière<br />
et leader de la recherche, <strong>du</strong> développement<br />
et de la pro<strong>du</strong>ction de micro-algues, qui a réuni<br />
14,6 M€ d’aides et d’investissements avec le<br />
soutien d’OSEO pour lancer le premier projet<br />
européen d’envergure autour de l’Exploitation<br />
in<strong>du</strong>strielle des micro-algues (EIMA). Une nouvelle<br />
pièce à la compréhension des mécanismes<br />
d’accumulation d’huile chez les micro-algues<br />
a également été apportée. L’utilisation d’une<br />
approche de protéomique a en effet révélé<br />
l’existence de plus de 200 protéines fortement<br />
associées aux corps lipidiques, organes majeurs<br />
<strong>du</strong> stockage de l’huile chez la micro-algue<br />
<strong>du</strong> modèle Chlamydomonas reinhardtii.<br />
La caractérisation fonctionnelle de ces protéines<br />
devrait permettre de décrypter les mécanismes<br />
de stockage de ces lipides, une étape clé<br />
pour favoriser leur pro<strong>du</strong>ction in<strong>du</strong>strielle.<br />
Valoriser le CO 2<br />
La recherche dans la biodiversité de souches<br />
naturelles présentant des propriétés d’intérêt,<br />
et la génération de diversité par mutation<br />
génétique, pour créer des espèces aux propriétés<br />
nouvelles, sont également des pistes activement<br />
suivies. La collecte d’espèces issues de la<br />
biodiversité a notamment été effectuée en 2011<br />
dans le cadre de la mission océanographique<br />
de grande ampleur Tara Oceans. Leur analyse<br />
génomique est en cours. Le criblage de souches<br />
génétiquement modifiées a pour sa part permis<br />
d’isoler un mutant de l’algue microscopique<br />
Chlamydomonas reinhardtii présentant une<br />
forte stimulation de ses capacités de pro<strong>du</strong>ction<br />
d’hydrogène. Enfin, une autre approche, dite<br />
de « génétique chimique » a été mise au point.<br />
En utilisant une petite molécule organique,<br />
Plateforme biotechnologique<br />
HélioBiotec d’étude et d’optimisation<br />
des mécanismes biologiques de<br />
certains micro-organismes.<br />
<strong>Les</strong> chimistes de l’Iramis ont trouvé un catalyseur permettant la transformation <strong>du</strong> CO 2 en dérivés<br />
de formamides, composés organiques important en biochimie, habituellement issus de la pétrochimie<br />
et largement utilisés pour la fabrication de textiles, de médicaments et de colles.<br />
Cultures sous air enrichi en CO 2.<br />
il est ainsi possible de contrôler l’activité de<br />
l’enzyme qui régit la pro<strong>du</strong>ction de certains<br />
lipides chez la plante Arabidospis thaliana.<br />
Cette technique va permettre d’identifier<br />
au sein de chimiothèques les composés<br />
capables de modifier le métabolisme lipidique<br />
des micro-algues.<br />
Côté pro<strong>du</strong>ction d’hydrogène par des<br />
approches biomimétiques, la caractérisation<br />
<strong>du</strong> photosystème II, une enzyme catalysant<br />
l’oxydation de l’eau, étape clef de la<br />
photosynthèse, a été poursuivie. Parmi quatre<br />
candidats potentiels, l’ion manganèse responsable<br />
de la fixation de la molécule d’eau lors de cette<br />
réaction a été déterminé. Cela constitue une étape<br />
importante car les scientifiques cherchent depuis<br />
longtemps à s’inspirer de cette enzyme afin<br />
de pro<strong>du</strong>ire un catalyseur pour l’hydrolyse<br />
de l’eau dans l’optique de pro<strong>du</strong>ire de l’hydrogène.<br />
De plus, une nouvelle stratégie efficace, simple<br />
et rapide a été initiée et permettra de connecter<br />
un mo<strong>du</strong>le photoactif, capable de capter et<br />
convertir l’énergie solaire. Des unités de base,<br />
pouvant être ré<strong>du</strong>ites ou oxydées, ouvriront ainsi<br />
la voie au développement de systèmes utilisables<br />
dans le domaine de la photosynthèse artificielle.<br />
24 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE<br />
SUR LES ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
Maintenance <strong>du</strong> tokamak Tore Supra.<br />
Groupe de pompage de Tore Supra,<br />
le maintenant sous vide.<br />
ÉNERGIE DE FUSION<br />
La fusion nucléaire par confinement magnétique<br />
offre la perspective d’une pro<strong>du</strong>ction d’énergie<br />
cohérente avec un développement <strong>du</strong>rable. Ce<br />
programme interdisciplinaire et international<br />
comprend l’exploitation <strong>du</strong> tokamak Tore Supra à<br />
Cadarache et de JET en Angleterre, la préparation<br />
<strong>du</strong> projet ITER à Cadarache, ainsi que des projets<br />
d’accompagnement d’ITER, appelés approche<br />
élargie. En synergie avec ses partenaires in<strong>du</strong>striels<br />
et académiques européens, l’Institut de recherche<br />
sur la fusion magnétique <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> (IRFM) mène des<br />
recherches scientifiques et techniques reposant<br />
sur des développements de la théorie des plasmas,<br />
des modélisations et des expériences sur Tore<br />
Supra et JET, ainsi que des actions finalisées de<br />
support au projet ITER, approche élargie comprise.<br />
Consolidation de la participation à ITER<br />
La plupart des études, contractualisées avec ITER<br />
Organization ou l’Agence européenne Fusion<br />
for Energy (F4E), a porté sur l’intégration d’un<br />
mo<strong>du</strong>le diagnostic à tiroir, les composants exposés<br />
au plasma, le cryomagnétisme, la validation<br />
et la qualification des mesures magnétiques.<br />
D’autres actions se poursuivent, comme les<br />
études de concepts pour le chauffage <strong>du</strong> plasma<br />
et la génération de courant (antenne « Ion<br />
Cyclotron Resonant Heating », antenne « Lower<br />
Hybrid Current Drive ») ou le développement de<br />
diagnostics infrarouges et visibles adaptés à des<br />
parois métalliques. Le dispositif FIRE, destiné<br />
à « étouffer » les disruptions, a été testé avec<br />
succès sur Tore Supra ; ces tests se poursuivront<br />
en 2012.<br />
Contribution aux projets de « l’approche élargie »<br />
Pour le futur tokamak japonais JT60-SA, un contrat<br />
pour la fourniture de 9 bobines toroïdales a été signé<br />
et la fabrication a été lancée ; les spécifications<br />
de « l’usine cryogénique » associée au tokamak ont<br />
été validées ; l’appel d’offres pour les alimentations<br />
des bobines magnétiques a été diffusé.<br />
Par ailleurs, la Direction des sciences de la matière a<br />
livré au Japon, au nom de l’Europe, le supercalculateur<br />
pétaflopique <strong>du</strong> centre de calcul dédié à la fusion, qui<br />
sera ouvert aux scientifiques japonais et européens<br />
dès 2012 (IFERC).<br />
Théorie et simulation de la physique<br />
des plasmas<br />
L’approche modélisation – simulation – validation<br />
par l’expérience s’est étoffée. Elle concerne aussi<br />
bien les interprétations de mesures infrarouges en<br />
présence de parois métalliques, que la simulation<br />
via le code Gysela de la perte d’ions énergétiques,<br />
ou la simulation de l’éjection rapide de matière<br />
observée lors d’instabilités via le code XTOR.<br />
Physique expérimentale<br />
Pour Tore Supra, le record d‘énergie injectée et<br />
récupérée de 2003 (1 GJ) a quasiment été égalé<br />
(0,95 GJ) avec un plasma plus chaud, plus dense<br />
et à courant plus important (6 MW de chauffage<br />
hybride et 1 MW de chauffage cyclotronique<br />
ionique). Le fonctionnement observé présente,<br />
sur la <strong>du</strong>rée <strong>du</strong> choc, toutes les caractéristiques<br />
d’un régime à confinement amélioré ; il ouvre,<br />
pour la prochaine campagne, un nouveau domaine<br />
de fonctionnement de Tore Supra.<br />
En parallèle, la pertinence pour ITER <strong>du</strong> projet<br />
WEST, consistant à installer un divertor en<br />
tungstène dans Tore Supra, a été reconnue par<br />
toute la communauté de la fusion, et ses études<br />
de conception se sont poursuivies.<br />
Le programme JET « ITER-like wall » (parois de<br />
réacteur identiques à ITER), avec sa nouvelle<br />
configuration tungstène, va offrir de nouvelles<br />
possibilités au terme des actions suivantes : mise<br />
au point des systèmes de protection de la paroi<br />
en temps réel, modélisation des instabilités de<br />
bord <strong>du</strong> plasma via le code Jorek, participation aux<br />
travaux sur la rétention de gaz dans la nouvelle<br />
configuration et aux mesures infrarouges et<br />
visible avec des parois métalliques.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 25
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE<br />
SUR LES ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
RECHERCHE SUR LES<br />
RELATIONS ÉNERGIE/CLIMAT<br />
ET ENVIRONNEMENT<br />
Mise à l’eau <strong>du</strong> carottier géant Calypso<br />
à bord <strong>du</strong> Marion Dufresne.<br />
2011 a été marquée par une accalmie des<br />
controverses sur les sciences <strong>du</strong> climat,<br />
notamment suite à l’évaluation des recherches<br />
sur le changement climatique par l’Académie<br />
des sciences, fin 2010, qui a réaffirmé la<br />
pertinence des travaux des climatologues et<br />
de leurs conclusions. La nomination au sein de<br />
l’Académie des sciences de Jean-Claude Duplessy,<br />
chercheur et ancien directeur <strong>du</strong> Laboratoire<br />
des sciences <strong>du</strong> climat et de l’environnement<br />
(LSCE), a confirmé par ailleurs la place des<br />
sciences <strong>du</strong> climat au sein de cette institution.<br />
Simulations <strong>du</strong> GIEC<br />
Le LSCE est fortement impliqué dans l’élaboration<br />
<strong>du</strong> 5 e rapport <strong>du</strong> GIEC, à travers la rédaction<br />
<strong>du</strong> document et la simulation <strong>du</strong> climat. Deux<br />
coordinateurs de chapitre, quatre auteurs principaux<br />
et deux éditeurs de revue <strong>du</strong> LSCE ont fourni une<br />
première version rédigée de leurs chapitres en<br />
2011. Des chercheurs <strong>du</strong> LSCE ont également<br />
réalisé pour le GIEC des simulations <strong>du</strong> climat passé<br />
et futur à l’échelle globale, utilisant le modèle de<br />
l’Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL), en prenant<br />
notamment en compte le couplage climat – carbone.<br />
Cet exercice confirme les conclusions <strong>du</strong> dernier<br />
rapport <strong>du</strong> GIEC de 2007 concernant l’évolution<br />
à venir des températures et des précipitations.<br />
Pour 2100, le scénario le plus sévère prévoit<br />
un réchauffement de 3,5 à 5 °C et dans le cas<br />
le plus optimiste, la température globale moyenne<br />
s’élève de 2 °C.<br />
Chantier Méditerranée<br />
Initié en 2010, le programme inter-organismes<br />
« Chantier Méditerranée » s’est poursuivi.<br />
Le LSCE coordonne dans ce cadre le projet dédié<br />
aux pollutions atmosphériques et à leurs impacts<br />
(CharMex) et participe à des projets lancés<br />
en 2011 : MerMex (impact des changements<br />
climatiques et de l’activité humaine sur<br />
l’environnement continental et marin) et PaleoMex<br />
(relations passées Homme-climat-environnement).<br />
Flacons pour prélèvements d’air sur banc<br />
de recyclage <strong>du</strong> laboratoire Ramces.<br />
Icos<br />
L’infrastructure européenne de recherche Icos,<br />
constituée d’un vaste réseau d’observation de<br />
l’atmosphère et de l’écosystème et d’un centre<br />
de gestion des données, dont la coordination<br />
est confiée au LSCE, continue à se développer.<br />
Icos doit fournir des données de haute précision<br />
et à long terme sur les puits et sources de CO 2<br />
atmosphérique en Europe. Un démonstrateur<br />
de station intégrée, équipé notamment d’un Lidar<br />
pour la mesure de gaz à effet de serre, a été<br />
installé sur une tour de 120 mètres de hauteur,<br />
sur le site Andra de Bure (Meuse). En 2011,<br />
plus de 2 000 échantillons atmosphériques ont<br />
été analysés au LSCE, en provenance de 19 sites,<br />
dans le cadre <strong>du</strong> suivi mondial de la composition<br />
de l’atmosphère (réseau Ramces).<br />
Une réévaluation des flux<br />
de carbone<br />
Une deuxième analyse des mesures de<br />
CO 2 dans le monde a été réalisée pour<br />
cartographier les variations des flux à la<br />
surface <strong>du</strong> globe au cours de la période<br />
1988-2008. <strong>Les</strong> flux sont calculés à partir<br />
de mesures atmosphériques réalisées dans<br />
128 stations. Ils sont estimés avec une<br />
résolution temporelle d’une semaine et une<br />
résolution spatiale de 3,75° x 2,5° (longitude<br />
et latitude). L’analyse des résultats montre<br />
qu’on ré<strong>du</strong>it l’incertitude sur les flux<br />
annuels à grande échelle, de 20 à 60 %<br />
suivant les régions, mais que la densité<br />
<strong>du</strong> réseau de mesure est insuffisante<br />
pour déterminer des structures spatiales<br />
à l’intérieur des continents. Un réseau<br />
plus dense tel Icos est donc nécessaire.<br />
26 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Passeur automatisé d’échantillons biologiques monté sur la ligne de haute énergie au Cimap.<br />
Le LSCE au sein de l’IPSL<br />
L’IPSL, dont le LSCE est une composante<br />
importante, a obtenu en 2011 le financement d’un<br />
« Laboratoire d’excellence » (L-IPSL), qui renforce<br />
son rôle d’acteur majeur dans sa discipline.<br />
2011 a vu l’entrée au classement de Shanghai<br />
de l’une des trois tutelles <strong>du</strong> LSCE, l’Université<br />
Versailles-St-Quentin (UVSQ), grâce notamment<br />
à l’augmentation de publications à fort impact<br />
<strong>du</strong> LSCE. <strong>Les</strong> chercheurs <strong>du</strong> LSCE ont également<br />
contribué à l’évolution de l’Observatoire des<br />
sciences de l’univers vers une « école interne » de<br />
l’université. Deux projets impliquant l’UVSQ, ainsi<br />
que le <strong>CEA</strong> et le CNRS, ont par ailleurs mûri en<br />
2011 : la création d’un institut franco-chinois sur<br />
le carbone et celle d’une chaire in<strong>du</strong>strielle sur les<br />
flux de gaz à effet de serre.<br />
CHIMIE ET INTERACTIONS<br />
RAYONNEMENT – MATIÈRE<br />
Inscrit dans le réseau EMIR, le nouvel accélérateur<br />
d’électrons Sirius de l’Institut rayonnement<br />
matière de Saclay (Iramis), sur le site de l’École<br />
polytechnique, a été ouvert aux premières<br />
expériences.<br />
Celles-ci portent sur le suivi de l’irradiation<br />
par des ions lourds de moyenne énergie sur<br />
le nouveau diffractomètre de rayons X « Alix »,<br />
installé sur une ligne d’irradiation. Elles ont été<br />
con<strong>du</strong>ites au Cimap (Centre de recherche sur<br />
les ions, les matériaux et la photonique, auprès<br />
<strong>du</strong> Ganil à Caen) et permettront d’étudier les<br />
phénomènes d’irradiation en réacteur nucléaire.<br />
Façonner la matière à l’échelle nanométrique<br />
par irradiation de faisceaux d’ions<br />
L’irradiation peut être utilisée de façon originale<br />
pour nanostructurer la matière. Des chercheurs de<br />
l’Iramis ont montré qu’il est possible de modifier la<br />
morphologie de nano-objets métalliques confinés<br />
dans une matrice amorphe (matériaux composites)<br />
par irradiation avec des ions lourds rapides. Ce<br />
« façonnage » de nano-objets est un moyen<br />
intéressant pour mieux maîtriser leurs propriétés<br />
physico-chimiques.<br />
Capteurs ultrasensibles de métaux lourds<br />
à base de membranes polymères irradiées<br />
L’application des nouvelles normes de<br />
concentration en métaux lourds dans les eaux<br />
nécessite de nouvelles techniques d’analyses<br />
performantes. Des chercheurs de l’Iramis ont<br />
réalisé des capteurs voltamétriques originaux,<br />
très sensibles car capables de piéger une forte<br />
concentration de polluants dans une électrode<br />
constituée d’une membrane ren<strong>du</strong>e poreuse par<br />
irradiation d’ions lourds.<br />
Des ions lourds pour couper et plier le graphène<br />
Le graphène, plan cristallin de carbone, est<br />
aujourd’hui étudié de façon très approfondie <strong>du</strong><br />
fait de ses con<strong>du</strong>ctances électrique et thermique<br />
exceptionnellement élevées ou encore de<br />
sa résistance mécanique. <strong>Les</strong> chercheurs<br />
<strong>du</strong> Cimap, en collaboration avec les chercheurs<br />
de l’Université de Duisburg (Allemagne), viennent<br />
de montrer de façon tout à fait originale que le<br />
graphène peut être coupé et plié, par irradiation<br />
sous incidence rasante, avec un ion lourd.<br />
Dispositif expérimental d’ions au Ganil.<br />
Matériaux et énergies <strong>du</strong>rables<br />
Au sein de l’Iramis, le Centre de recherche<br />
sur les ions, les matériaux et la photonique<br />
(Cimap), implanté auprès <strong>du</strong> Ganil à Caen,<br />
est totalement intégré au Labex EMC3<br />
(Energy, materials and clean combustion<br />
center) dont l’objectif est de con<strong>du</strong>ire des<br />
recherches dans les domaines de l’énergie<br />
nucléaire et de l’énergie <strong>du</strong>rable.<br />
Le Cimap est aussi partenaire de l’Equipex<br />
Genesis, visant à caractériser les matériaux<br />
<strong>du</strong> nucléaire à l’échelle nanométrique.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 27
1 I A<br />
ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE<br />
SUR LES ÉNERGIES BAS CARBONE<br />
Manipulation d’échantillons biologiques<br />
en conditions non-stériles.<br />
RADIOBIOLOGIE<br />
Comprendre l’effet sur le vivant des fortes<br />
et faibles doses de rayonnement<br />
<strong>Les</strong> recherches menées par le <strong>CEA</strong> en radiobiologie<br />
ont pour objectif d’étudier l’impact sur la santé et<br />
l’environnement des rayonnements ionisants. Elles<br />
contribuent à définir les conditions de sécurité<br />
liées aux technologies <strong>du</strong> nucléaire et l’accident<br />
nucléaire de Fukushima souligne la nécessité<br />
de les renforcer. L’étude des mécanismes de<br />
réparation et de recombinaison de l’ADN, la prise<br />
en compte de la sensibilité de chaque indivi<strong>du</strong><br />
aux rayonnements ionisants et la connaissance<br />
des processus de cancérogénèse sont au cœur de<br />
ces recherches. En 2011, les chercheurs se sont<br />
attelés à relever un défi de taille : déterminer<br />
si une tumeur est liée à une exposition aux<br />
rayonnements ionisants ou non… Ils ont analysé<br />
l’expression globale des gènes de tumeurs de la<br />
thyroïde apparues à la suite d’une radiothérapie<br />
ainsi que de tumeurs de la thyroïde développées<br />
par des enfants vivant à proximité de la centrale<br />
de Tchernobyl en 1986. Par recoupements<br />
successifs, il a été possible de définir des groupes<br />
de gènes constituant une signature de la nature<br />
radioin<strong>du</strong>ite de la tumeur. <strong>Les</strong> chercheurs <strong>du</strong><br />
<strong>CEA</strong> ont également continué à explorer les<br />
mécanismes de réparation de l’ADN mis en<br />
jeu lors d’une atteinte par les rayonnements.<br />
Chez l’Homme, il existe plusieurs systèmes<br />
de réparation de l’ADN suite à des dommages<br />
imputables aux rayonnements UV, notamment<br />
le système NER. En 2011, les chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
ont démontré que trois protéines, XPC, RAD23B<br />
et Centrine 2, sont des acteurs essentiels de<br />
cette voie de réparation et ont décrypté en partie<br />
leur mode d’action. Une autre voie de réparation<br />
est essentielle pour réparer les cassures<br />
Extraction d’ADN et analyse par PCR<br />
des phénotypes de souris.<br />
double-brins de l’ADN qui sont extrêmement<br />
toxiques : le NHEJ. En déterminant la structure<br />
tridimensionnelle d’un complexe formé de deux<br />
protéines, Xrcc4 et Cernunnos, les chercheurs ont<br />
apporté un éclairage nouveau sur les mécanismes<br />
moléculaires de l’action de ce complexe.<br />
Enfin, en 2011, le <strong>CEA</strong> a mis en place une<br />
collaboration avec l’Institut des cellules souches<br />
pour le traitement et l’étude des maladies<br />
monogéniques (I-STEM). Il s’agira de reprogrammer<br />
des cellules souches a<strong>du</strong>ltes de l’épiderme afin<br />
de les rendre capables de former des cellules<br />
caractéristiques de plusieurs types cellulaires.<br />
Cette technique va permettre une modélisation<br />
de maladies d’hypersensibilité telles que le<br />
syndrome de Gorlin. <strong>Les</strong> patients atteints<br />
de cette maladie développent des tumeurs<br />
cutanées et cérébrales et présentent une forte<br />
sensibilité indivi<strong>du</strong>elle aux rayonnements<br />
ionisants. Avec les lignées de cellules ainsi<br />
obtenues, il va être possible de reconnaître<br />
les mécanismes de cette sensibilité ainsi que<br />
de rechercher des marqueurs d’exposition<br />
à faible dose, qui font défaut aujourd’hui<br />
pour caractériser les populations à risque.<br />
Dépôt des échantillons pour électrophorèse.<br />
28 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Plateforme de phytotechnologie dédiée à la culture des plantes en conditions contrôlées.<br />
TOXICOLOGIE<br />
Appréhender l’impact des technologies de<br />
l’énergie sur l’Homme et son environnement<br />
<strong>Les</strong> recherches en toxicologie <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> ont pour<br />
objectif d’apporter les connaissances dont il<br />
a besoin pour assumer ses responsabilités en<br />
tant que pro<strong>du</strong>cteur ou utilisateur de nouveaux<br />
procédés technologiques, dans le domaine des<br />
énergies bas carbone. Ces procédés sont variés,<br />
allant des applications nucléaires aux matériaux<br />
à base de nanoparticules pour les nouvelles<br />
énergies. La caractérisation des dangers et<br />
de l’impact potentiel de ces technologies sur<br />
la santé ou l’environnement s’appuie sur les<br />
compétences pluridisciplinaires <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> et sur<br />
sa capacité en recherche fondamentale.<br />
<strong>Les</strong> recherches en toxicologie sont essentielles<br />
pour améliorer la protection des populations et<br />
des travailleurs <strong>du</strong> nucléaire. <strong>Les</strong> médecins <strong>du</strong><br />
travail ont besoin de tests qui leur permettent<br />
non seulement de connaître le niveau de la<br />
contamination mais aussi d’en prévoir les<br />
conséquences pathologiques potentielles. <strong>Les</strong><br />
chercheurs ont trouvé un biomarqueur qui pourrait<br />
les y aider dans le cas d’une contamination par<br />
l’uranium : l’ostéopontine, une protéine impliquée<br />
dans la minéralisation osseuse. En 2011, ils ont<br />
commencé à évaluer l’intérêt de ce marqueur<br />
auprès d’un petit nombre de travailleurs d’Areva<br />
exposés à des poussières d’uranium, une première<br />
étape essentielle pour mieux appréhender le<br />
mécanisme d’action toxique de l’uranium.<br />
Dans le domaine <strong>du</strong> risque nucléaire<br />
environnemental, les équipes <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> s’appuient<br />
sur leurs connaissances de la biologie des plantes<br />
et des micro-organismes et sur l’exploration de<br />
la biodiversité pour rechercher les mécanismes<br />
enzymatiques ou de transport importants<br />
pour le développement de techniques de<br />
décontamination. En 2011, les chercheurs ont<br />
montré que dans des sols naturellement riches<br />
en uranium localisés dans le bassin minier <strong>du</strong><br />
Limousin, la présence de cet uranium n’affecte<br />
pas la diversité bactérienne mais in<strong>du</strong>it le<br />
développement d’une population spécifique,<br />
remarquablement stable dans le temps. Ils<br />
ont également établi des collections rares de<br />
bactéries qui représentent un outil essentiel<br />
pour avancer dans la compréhension des liens<br />
entre radionucléides, sols et bactéries. D’autres<br />
chercheurs se sont intéressés à la toxicité des<br />
métaux lourds pouvant être issus des activités<br />
in<strong>du</strong>strielles liées ou non au secteur <strong>du</strong> nucléaire.<br />
Ils ont ainsi montré que l’intoxication de cellules<br />
végétales par de faibles concentrations de<br />
cadmium in<strong>du</strong>it de nombreux changements au<br />
niveau de la synthèse protéique, un processus<br />
essentiel dans la croissance des êtres vivants.<br />
<strong>Les</strong> nanoparticules occupent une place croissante<br />
dans les matériaux utilisés dans les secteurs<br />
<strong>du</strong> nucléaire, <strong>du</strong> photovoltaïque ou pour la<br />
filière hydrogène. En 2011, les chercheurs ont<br />
développé un modèle cellulaire mimant la barrière<br />
hémato-encéphalique, élément clé de la protection<br />
<strong>du</strong> cerveau, et testé sa performance pour l’analyse<br />
<strong>du</strong> transfert des nanoparticules à travers cette<br />
barrière. Ils ont ainsi mis en évidence la capacité<br />
des nanoparticules de dioxyde de titane (nano-<br />
TiO 2) à franchir les barrières membranaires,<br />
s’accumuler dans les cellules et provoquer des<br />
modifications fonctionnelles. <strong>Les</strong> études devront<br />
Souches bactériennes environnementales<br />
cultivées sur plaque multipuits.<br />
être poursuivies mais il est déjà rassurant de<br />
constater que les effets biologiques observés<br />
ne surviennent qu’à des doses extrêmement<br />
élevées et pour des matériaux notoirement plus<br />
réactifs que ceux utilisés dans l’in<strong>du</strong>strie.<br />
Métaux lourds et génotoxicité<br />
<strong>Les</strong> chercheurs de l’Institut de recherches<br />
en technologies et sciences pour le vivant<br />
et de l’Institut nanosciences et cryogénie<br />
étudient l’impact délétère de métaux<br />
lourds et de nanoparticules sur des plantes,<br />
des cellules humaines et des bactéries.<br />
<strong>Les</strong> axes principaux sont le transport et<br />
le stockage d’ions métalliques dans ces<br />
systèmes, les dommages et la réparation<br />
de l’ADN (génotoxicité).<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 29
1A 1B<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
ET RECHERCHES DE BASE<br />
ASSOCIÉES<br />
Temps forts<br />
Retrait <strong>du</strong> service de la TN81<br />
La dernière Tête nucléaire aéroportée TN81 retirée <strong>du</strong> service<br />
opérationnel a été démontée sur le site <strong>du</strong> Centre spécial<br />
militaire de Val<strong>du</strong>c (CSMV) le 22 décembre 2011, signant la fin<br />
<strong>du</strong> programme de retrait <strong>du</strong> service opérationnel de la TN81.<br />
La TN81, associée au vecteur Air sol moyenne portée (ASMP),<br />
a été mise en service opérationnel par les Forces aériennes<br />
stratégiques (FAS) de l’Armée de l’air en 1988.<br />
De 2009 à 2011, la TN81 a été progressivement remplacée<br />
par la Tête nucléaire aéroportée (TNA), associée au<br />
missile Air sol moyenne portée améliorée (ASMPA).<br />
30 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Mettre la science<br />
et la technique<br />
au service<br />
de la Défense<br />
et de la sécurité<br />
globale.<br />
Tera 100, une des composantes<br />
<strong>du</strong> complexe de calcul scientifique,<br />
utilisé pour le programme<br />
Simulation <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>.<br />
Commande d’un nouveau Barracuda<br />
La commande <strong>du</strong> 3 e Sous-marin nucléaire d’attaque (SNA)<br />
<strong>du</strong> programme Barracuda Le Dupetit Thouars a été notifiée<br />
le 28 juin 2011 aux in<strong>du</strong>striels. Cette nouvelle étape <strong>du</strong> programme<br />
a donné lieu à une cérémonie organisée à Cherbourg, rassemblant<br />
les principaux acteurs étatiques (Marine nationale, DGA,<br />
<strong>CEA</strong> et service technique mixte STXN) et in<strong>du</strong>striels (DCNS<br />
et Areva TA). Cette commande s’inscrit dans le cadre d’un contrat<br />
global notifié en 2006, par la DGA et le <strong>CEA</strong>, en co-traitance à<br />
DCNS et Areva TA et dans lequel le <strong>CEA</strong> assume la responsabilité<br />
de la conception et de la fabrication des six chaufferies.<br />
Implantation <strong>du</strong> laser Pétal au sein <strong>du</strong> laser<br />
Mégajoule<br />
La cérémonie d’intégration <strong>du</strong> laser Pétawatt Petal au sein de<br />
l’installation laser Mégajoule (LMJ) s’est déroulée le 12 septembre<br />
2011. Le projet Petal, lancé en 2003, consiste en la réalisation<br />
d’une chaîne laser d’une puissance exceptionnelle de plusieurs<br />
pétawatts, délivrant des impulsions lumineuses ultra-brèves<br />
(de l’ordre de la picoseconde) couplée au LMJ, laser de haute<br />
énergie (impulsions longues de quelques nanosecondes).<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 31
1 I B<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
ET RECHERCHES DE BASE ASSOCIÉES<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
Acteur de la dissuasion nucléaire et de la sécurité nationale,<br />
la Direction des applications militaires (DAM), pôle Défense <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>,<br />
a pour mission de concevoir, fabriquer, maintenir en condition<br />
opérationnelle puis démanteler les têtes nucléaires qui équipent<br />
les forces océaniques et aéroportées françaises. Elle est chargée<br />
de la conception et de l’entretien des réacteurs nucléaires, assurant<br />
la propulsion des bâtiments de la Marine nationale, sous-marins et<br />
porte-avions. Elle est également responsable de l’approvisionnement<br />
des matières nucléaires pour les besoins de la Défense. Le suivi<br />
de l’impact sur l’environnement de ses activités fait l’objet d’une<br />
attention soutenue.<br />
Porte-avions Charles de Gaulle.<br />
Dans un monde en profonde mutation, le <strong>CEA</strong><br />
contribue à la sécurité à travers l’appui technique<br />
qu’il apporte aux autorités, pour les questions<br />
de désarmement, de lutte contre la prolifération<br />
nucléaire et le terrorisme. Depuis le transfert<br />
<strong>du</strong> centre de Gramat de la Direction générale de<br />
l’armement au <strong>CEA</strong>, la défense conventionnelle<br />
constitue une nouvelle mission de la DAM.<br />
Pour mener à bien l’ensemble de ces missions, la<br />
DAM est responsable des études scientifiques et<br />
techniques de base, ciblées sur les <strong>programmes</strong><br />
dont elle a la charge.<br />
LES TÊTES NUCLÉAIRES<br />
Le 22 décembre 2011, la dernière Tête nucléaire<br />
aéroportée TN81 retirée <strong>du</strong> service opérationnel<br />
a été démontée. Cette opération a mis un terme<br />
au programme de retrait <strong>du</strong> service opérationnel<br />
de la TN81. De 2009 à 2011, la TN81 a été<br />
progressivement remplacée par la Tête nucléaire<br />
aéroportée (TNA), associée au missile Air sol<br />
moyenne portée amélioré (ASMPA). <strong>Les</strong> TNA sont<br />
les premières armes nucléaires au monde à être<br />
garanties par la simulation.<br />
La TN75 va être progressivement remplacée à<br />
partir de 2015 par la Tête nucléaire océanique<br />
(TNO), qui équipera les missiles stratégiques M51<br />
à partir de 2015.<br />
Vue générale de la salle de calcul de Tera 100.<br />
LE PROGRAMME SIMULATION<br />
<strong>Les</strong> têtes nucléaires, qui renouvellent progressivement<br />
les armes en service lorsqu’elles arrivent<br />
en fin de vie, sont garanties sans nouveaux essais<br />
nucléaires. Le programme Simulation a été lancé<br />
en 1996 pour répondre à cet objectif.<br />
À ce jour, la garantie des charges nucléaires de<br />
renouvellement s’appuie sur trois volets :<br />
<br />
lors de l’ultime campagne d’essais en 1995-1996 ;<br />
<br />
par la « militarisation » entre les formules<br />
expérimentées et les charges nucléaires de<br />
renouvellement ou susceptibles d’apparaître au<br />
cours de la vie opérationnelle de l’arme ;<br />
<br />
garantir le bon fonctionnement des armes.<br />
Le programme Simulation repose sur de grands<br />
équipements indispensables pour mettre en<br />
œuvre les outils : supercalculateurs, machine<br />
radiographique, laser Mégajoule (LMJ).<br />
32 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Le programme Simulation repose sur de grands équipements<br />
indispensables pour mettre en œuvre les outils tels que<br />
supercalculateurs, machine radiographique, lasers…<br />
Simulation numérique.<br />
Un des outils essentiels de ce programme est<br />
le standard de calcul constitué d’une chaîne de<br />
logiciels repro<strong>du</strong>isant les différentes phases<br />
de fonctionnement d’une arme nucléaire. Sa<br />
réalisation nécessite l’enchaînement de modèles<br />
physiques prédictifs mis au point dans le cadre<br />
des études scientifiques et techniques de base et<br />
le déploiement de puissants moyens de calculs.<br />
Le supercalculateur Tera 100, installé sur le centre<br />
DAM Île-de-France, est pleinement opérationnel<br />
pour les concepteurs d’armes depuis début 2001,<br />
ce qui a permis l’arrêt et le démontage de la<br />
machine Tera 10 utilisée pour la garantie de la<br />
TNA. La validation informatique de Tera 100 a été<br />
obtenue fin 2010 avec le passage <strong>du</strong> « cas test<br />
de référence mondial » Linpack mesurant une<br />
puissance réelle de 1,05 Pétaflops. Depuis début<br />
2011, Tera 100 est utilisé avec le standard de<br />
calcul 2010 pour les travaux de la garantie de la<br />
charge nucléaire TNO.<br />
La garantie de l’énergie et de la sûreté de la<br />
charge nucléaire passe par une validation d’un<br />
standard de calcul. Cette validation est obtenue<br />
en confrontant les prédictions <strong>du</strong> standard aux<br />
mesures recueillies lors des essais nucléaires<br />
passés et aux expériences de validation par<br />
partie réalisées aujourd’hui sur la machine<br />
radiographique Airix et la Ligne d’intégration laser<br />
(LIL, prototype <strong>du</strong> LMJ), et demain sur Epure<br />
et le LMJ.<br />
La démarche de garantie par la Simulation <strong>du</strong><br />
fonctionnement de la charge nucléaire mise<br />
en place et en œuvre par la DAM depuis 1996<br />
a été éten<strong>du</strong>e aux autres fonctions de la<br />
charge. Ainsi fin 2011, le directeur des armes<br />
nucléaires a prononcé l’homologation des<br />
premiers standards de calcul pour les fonctions<br />
de rentrée atmosphérique et furtivité de la<br />
TNO. Ces Standards concrétisent des décennies<br />
d’expérience acquise, et plus particulièrement<br />
plusieurs années d’essais au sol, en vol, de<br />
mesures de Surface équivalente radar (SER) de<br />
maquettes, de travaux théoriques, numériques et<br />
expérimentaux de la DAM.<br />
La machine de radiographie Airix, installée au<br />
Polygone d’expérimentation de Moronvilliers<br />
(PEM) en Champagne-Ardenne, permet de valider<br />
les modèles relatifs au début <strong>du</strong> fonctionnement<br />
de l’arme, dans sa phase hydrodynamique (non<br />
nucléaire).<br />
Dans le cadre <strong>du</strong> traité Défense franco-britannique<br />
signé à Londres en novembre 2010, le Président<br />
de la République française et le Premier<br />
ministre britannique ont signé un traité relatif<br />
au partage d’installations radiographiques et<br />
hydrodynamiques. La loi a été promulguée en<br />
mai 2011. La France et le Royaume-Uni ont<br />
décidé de partager deux installations de physique<br />
expérimentale. Cette décision se tra<strong>du</strong>it par<br />
la construction et l’exploitation commune d’une<br />
installation radiographique et hydrodynamique<br />
en France, Epure, sur le centre <strong>CEA</strong> de Val<strong>du</strong>c.<br />
Ils partagent également une installation pour<br />
des développements technologiques communs<br />
au sein <strong>du</strong> Technology Development Center (TDC)<br />
sur le centre de l’Atomic Weapons Establishment<br />
(AWE) à Aldermaston, au Royaume-Uni.<br />
La première phase d’Epure est en cours de<br />
construction à Val<strong>du</strong>c, le premier béton a été coulé<br />
en novembre 2010. L’installation, dotée à terme<br />
de trois axes radiographiques de forte puissance,<br />
permettra de mesurer, avec la plus grande<br />
précision, l’état et le comportement des matériaux<br />
qui constituent les armes, dans des conditions de<br />
température et pression extrêmes, <strong>du</strong>rant la phase<br />
hydrodynamique (sans dégagement d’énergie<br />
nucléaire). <strong>Les</strong> technologies indispensables<br />
pour y parvenir seront développées au TDC.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 33
1 I B<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
ET RECHERCHES DE BASE ASSOCIÉES<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
Poste de con<strong>du</strong>ite de la Ligne d’intégration laser (LIL).<br />
Mise en œuvre d’une caméra mécanooptique<br />
sur Airix.<br />
La première expérience de qualification des<br />
enceintes de confinement qui seront utilisées<br />
dans Epure a été réalisée au PEM le 1 er avril<br />
2011. Cette expérience marque le début d’une<br />
campagne d’essais visant à acquérir tous les<br />
paramètres permettant la mise au point définitive<br />
et la qualification de ces équipements. C’est<br />
également en avril que le centre DAM Île-de-<br />
France a accueilli la première équipe britannique<br />
permanente de l’AWE. Elle est intégrée dans<br />
une équipe d’ingénierie commune DAM/AWE<br />
qui travaille à la conception des éléments de la<br />
seconde phase de l’installation Epure et à leur<br />
futur mode d’exploitation à Val<strong>du</strong>c.<br />
Le LMJ, indispensable pour simuler la phase de<br />
fonctionnement nucléaire de l’arme, est en cours<br />
de construction au centre <strong>CEA</strong> <strong>du</strong> Cesta, près<br />
de Bordeaux, en vue de réaliser les premières<br />
expériences fin 2014.<br />
Le projet avance comme prévu, comme en témoignent<br />
les différentes étapes franchies en 2011 :<br />
<br />
installé en mars sur une des chaînes <strong>du</strong> LMJ.<br />
Son principal rôle est d’amplifier un milliard de<br />
fois l’impulsion lumineuse émise par la source<br />
laser. Dans un premier temps, cela permettra de<br />
valider le fonctionnement optique de la section<br />
amplificatrice.<br />
<br />
monté sur chaîne courant mai. Ce composant<br />
corrige la surface d’onde <strong>du</strong> faisceau et assure<br />
sa parfaite planéité, grâce à la maîtrise de<br />
micro-déformations pilotées de sa surface<br />
réfléchissante. Cet équipement a été conçu par<br />
la DAM qui a également assuré la fabrication de<br />
ce premier exemplaire, la série étant confiée à<br />
un in<strong>du</strong>striel.<br />
<br />
<strong>du</strong> LMJ a été aligné courant juin. Cet alignement<br />
confirme la qualité <strong>du</strong> pré-positionnement des<br />
structures mécaniques de grandes dimensions<br />
et des composants optiques internes constitutifs<br />
d’une chaîne laser. Il a également permis de<br />
tester le bon fonctionnement des dispositifs<br />
et équipements mobiles qui permettent un<br />
alignement fin <strong>du</strong> faisceau.<br />
<br />
de la supervision (contrôle-commande) de<br />
l’installation a été qualifiée sur un banc test.<br />
Cette qualification a permis de dérouler des<br />
séquences informatiques de tir dans différentes<br />
configurations en utilisant tous les mécanismes<br />
de la supervision et des simulateurs des sousensembles<br />
<strong>du</strong> LMJ.<br />
<strong>Les</strong> campagnes d’expériences sur la LIL ont été<br />
con<strong>du</strong>ites en respectant le planning. <strong>Les</strong> tirs de<br />
puissance ont permis d’obtenir de nombreux<br />
résultats expérimentaux au profit de la physique<br />
des armes, de la physique des lasers pour le LMJ et<br />
de l’astrophysique dans le cadre de l’ouverture des<br />
moyens à la communauté scientifique.<br />
OUVERTURE<br />
À LA COMMUNAUTÉ<br />
SCIENTIFIQUE DES<br />
MOYENS DU PROGRAMME<br />
SIMULATION<br />
<strong>Les</strong> supercalculateurs, le LMJ et son prototype la<br />
LIL, sont des réalisations exceptionnelles tant par<br />
leurs caractéristiques techniques que par leurs<br />
performances. Pour une partie de leur temps<br />
disponible, celles-ci sont mises à la disposition<br />
de la communauté scientifique européenne,<br />
conformément à la politique approuvée par le<br />
ministère de la Défense en 2002.<br />
L’Institut lasers et plasmas (ILP) a vocation à<br />
stimuler, animer et coordonner les recherches<br />
dans le domaine des lasers de puissance et des<br />
plasmas. Sa principale mission est d’organiser<br />
l’ouverture des grandes installations laser <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
à l’ensemble de la communauté scientifique. La<br />
Route des lasers, qui se développe autour de la<br />
LIL et <strong>du</strong> LMJ, est un des 39 pôles de compétitivité<br />
nationaux.<br />
Le 12 septembre 2011 s’est déroulée la<br />
cérémonie d’intégration <strong>du</strong> laser Pétawatt Petal<br />
au sein <strong>du</strong> LMJ. Le projet Petal, lancé en 2003<br />
par la Région Aquitaine, le ministère chargé de<br />
la Recherche et l’Union européenne, consiste en<br />
la réalisation d’une chaîne laser d’une puissance<br />
exceptionnelle de plusieurs pétawatts, délivrant<br />
des impulsions lumineuses ultra-brèves (de<br />
l’ordre de la picoseconde) couplée au LMJ, laser de<br />
haute énergie (impulsions longues de quelques<br />
nanosecondes). <strong>Les</strong> expériences sont prévues<br />
pour 2015, le premier amplificateur tunnel pour<br />
Petal a été réceptionné en avril 2011. Il vise la<br />
création d’un Très grand instrument de recherche<br />
civil, unique en Europe, pour les études sur la<br />
fusion par confinement inertiel, la connaissance<br />
de l’Univers et la recherche médicale.<br />
34 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Chambre d’expériences <strong>du</strong> laser Mégajoule.<br />
MOYENS DE CALCULS<br />
Le centre de calcul Défense, autour de la machine<br />
Tera 100, est dédié exclusivement aux travaux<br />
de la DAM. Dans le domaine de la simulation<br />
numérique mettant en œuvre des calculateurs<br />
hautes performances de la classe <strong>du</strong> Téraflops,<br />
le <strong>CEA</strong> a mis en place, sur son site DAM<br />
Île-de-France, le pôle Ter@tec.<br />
Tirant partie de ces moyens exceptionnels, le <strong>CEA</strong><br />
offre dans le cadre <strong>du</strong> Centre de calcul recherche<br />
et technologie (CCRT), une puissance de calcul<br />
importante pour une machine d’architecture<br />
équivalente à la machine Tera 100 <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>.<br />
Ce centre est destiné à l’ensemble des activités<br />
non classifiées <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> et a vocation à satisfaire<br />
les besoins de ses nombreux partenaires (<strong>CEA</strong>,<br />
EDF, Snecma…) en matière de grandes simulations<br />
numériques. La journée CCRT 2011 « Simulation<br />
et flots de données » a rassemblé en octobre<br />
120 participants <strong>du</strong> monde de l’in<strong>du</strong>strie et de<br />
la recherche. Elle a notamment permis de faire<br />
le point sur les besoins d’utilisateurs dans les<br />
domaines <strong>du</strong> climat, de l’analyse <strong>du</strong> génome,<br />
de l’astrophysique ou encore de l’ingénierie<br />
moléculaire.<br />
Le Très grand centre de calcul (TGCC) <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>,<br />
jouxtant le site de Bruyères-le-Châtel, est une<br />
infrastructure réalisée pour accueillir la machine<br />
européenne Curie de puissance pétaflopique<br />
acquise par Genci (Grand équipement national<br />
de calcul intensif) dans le cadre <strong>du</strong> partenariat<br />
européen Prace (Partenariat for advanced<br />
computing in Europe) et avec le soutien financier<br />
<strong>du</strong> Conseil général de l’Essonne. Cette machine a<br />
atteint 2 pétaflops en 2012 en faisant la première<br />
machine européenne. Elle doit permettre des<br />
avancées sans précédent dans tous les domaines<br />
de la recherche académique et in<strong>du</strong>strielle.<br />
LA PROPULSION NUCLÉAIRE<br />
La DAM est responsable de la maîtrise d’ouvrage<br />
pour la conception et le développement des<br />
chaufferies nucléaires des bâtiments de la<br />
Marine nationale et pour la réalisation des cœurs<br />
équipant les chaufferies embarquées.<br />
La flotte des bâtiments à propulsion nucléaire de<br />
la Marine nationale représente douze chaufferies<br />
équipées de cœurs nucléaires en exploitation. Elle<br />
est composée <strong>du</strong> porte-avions Charles de Gaulle,<br />
de six Sous-marins nucléaires d’attaque (SNA)<br />
et de quatre Sous-marins nucléaires lanceurs<br />
d’engins de nouvelle génération (SNLE NG).<br />
Le programme Barracuda, qui vise à remplacer les<br />
6 SNA type Rubis par 6 nouveaux sous-marins,<br />
se poursuit. La commande <strong>du</strong> 3 e Barracuda a été<br />
notifiée le 28 juin 2011 aux in<strong>du</strong>striels.<br />
Le programme RES, pour Réacteur d’essai,<br />
se déroule à Cadarache. Il a pour objectif la<br />
construction d’un réacteur nucléaire à terre sur<br />
le site de l’Installation nucléaire de base secrète<br />
Propulsion nucléaire (INBS PN), représentatif<br />
des réacteurs embarqués sur les bâtiments<br />
de la Marine nationale, ainsi que d’une piscine<br />
pour l’entreposage de combustibles irradiés.<br />
La fabrication <strong>du</strong> premier cœur devant équiper<br />
ce réacteur s’est achevée en 2011 et les essais<br />
en pile neutronique sont en cours à Cadarache.<br />
En parallèle, la DAM apporte son soutien à<br />
la Défense pour le démantèlement des ex SNLE<br />
type Le Redoutable M4.<br />
DÉMANTÈLEMENT<br />
ET ASSAINISSEMENT<br />
DES INSTALLATIONS<br />
DE MATIÈRES FISSILES<br />
Lancé en 1995, le programme de démantèlement<br />
et d’assainissement des installations de<br />
pro<strong>du</strong>ction de plutonium et d’uranium enrichi<br />
s’est poursuivi en 2011.<br />
Le démantèlement des usines de diffusion<br />
gazeuse de Pierrelatte, projet Ardemu d’Arrêt<br />
et démantèlement des usines, s’est terminé fin<br />
2010 comme prévu. Le président <strong>du</strong> Comité mixte<br />
Armées-<strong>CEA</strong> et l’Administrateur général <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
ont célébré en avril la fin de ce programme, en<br />
présence de représentants de la Défense, d’Areva<br />
et <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>. Dans son allocution, le président<br />
<strong>du</strong> Comité mixte a rappelé la responsabilité de<br />
ce comité dans le suivi des grands projets de<br />
démantèlement des installations de la dissuasion<br />
et l’importance <strong>du</strong> retour d’expérience <strong>du</strong> projet<br />
Ardemu pour les chantiers de démantèlement<br />
en cours et à venir. « L’exemple d’Ardemu (…)<br />
prouve que cet objectif est atteignable, si nous<br />
respectons les exigences solidement établies d’un<br />
nucléaire <strong>du</strong>rable et responsable », a déclaré à<br />
cette occasion l’Administrateur général <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>.<br />
Cette journée a également été l’occasion<br />
d’inaugurer le nouvel espace d’information<br />
dédié au désarmement et au démantèlement<br />
des installations militaires de pro<strong>du</strong>ction de<br />
matières fissiles, situé dans le hall <strong>du</strong> réacteur en<br />
démantèlement G2, à Marcoule.<br />
Sur le site de Pierrelatte, les travaux de<br />
préparation à la cessation définitive d’exploitation<br />
de l’Usine de recyclage et d’exploitation (URE)<br />
ont débuté au 2 e semestre 2011. Sur les autres<br />
sites (Marcoule, Bruyères-le-Châtel, Miramas), les<br />
opérations se sont poursuivies au rythme prévu.<br />
Centre de calcul recherche et technologie (CCRT).<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 35
1 I B<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
ET RECHERCHES DE BASE ASSOCIÉES<br />
DÉFENSE ET SÉCURITÉ GLOBALE<br />
LUTTE CONTRE<br />
LA PROLIFÉRATION<br />
ET LE TERRORISME,<br />
SÉCURITÉ GLOBALE<br />
En raison de ses capacités techniques et<br />
scientifiques uniques dans les domaines<br />
nucléaires civil et militaire, le <strong>CEA</strong> contribue<br />
aux enjeux globaux de sécurité au travers de<br />
l’appui technique qu’il apporte aux autorités<br />
nationales et internationales pour les questions<br />
de désarmement, de lutte contre la prolifération<br />
nucléaire, de terrorisme et de sécurité.<br />
Outre les moyens de détection qu’il exploite en<br />
propre pour informer les autorités nationales en<br />
cas d’essai nucléaire, le <strong>CEA</strong> assure la contribution<br />
française à la mise en œuvre des moyens de<br />
vérification <strong>du</strong> Traité d’interdiction complète<br />
des essais nucléaires (Tice), développés sous la<br />
responsabilité de l’Organisation <strong>du</strong> traité (Otice).<br />
Dans ce cadre, le <strong>CEA</strong> a développé un Système<br />
de prélèvement d’air automatique en ligne avec<br />
l’analyse des radioxénons (Spalax), qui permet de<br />
vérifier le caractère nucléaire d’un essai souterrain<br />
à partir de l’analyse des isotopes radioactifs <strong>du</strong><br />
xénon éventuellement relâchés dans l’atmosphère.<br />
Deux stations de ce type installées à La Réunion et<br />
en Guyane ont été certifiées pour la première fois<br />
par l’Otice en 2011. Le laboratoire FRL08 <strong>du</strong> centre<br />
DAM Île-de-France, qui fait partie des 16 laboratoires<br />
internationaux chargés par l’Otice d’expertiser les<br />
échantillons prélevés par les stations de mesure<br />
des radionucléides <strong>du</strong> Système de surveillance<br />
international en cas d’événement suspect, a vu sa<br />
certification renouvelée pour une <strong>du</strong>rée de 3 ans.<br />
Dans le domaine de la lutte contre la prolifération<br />
nucléaire, le <strong>CEA</strong> et le Département des garanties<br />
de l’AIEA ont poursuivi leur collaboration au travers<br />
<strong>du</strong> Programme français de soutien aux garanties.<br />
Concernant la lutte contre le terrorisme, le <strong>CEA</strong><br />
est à la fois acteur opérationnel et acteur de<br />
R&D. <strong>Les</strong> équipes de la DAM déployées dans le<br />
cadre <strong>du</strong> Détachement central interministériel<br />
d’intervention technique (DCI) ont participé, en<br />
2011, aux opérations de sécurisation nucléaire<br />
et radiologique des sommets <strong>du</strong> G8 à Deauville<br />
et <strong>du</strong> G20 à Cannes. En parallèle, les actions<br />
con<strong>du</strong>ites au sein <strong>du</strong> programme interministériel<br />
de R&D NRBC-E (Nucléaire, radiologique,<br />
biologique, chimique - explosifs) confié au <strong>CEA</strong><br />
par les pouvoirs publics, ont permis des avancées<br />
significatives en matière de développement et<br />
de test de technologies de sécurité. Certaines<br />
des technologies développées ont fait l’objet de<br />
transferts vers des in<strong>du</strong>striels.<br />
LA DÉFENSE<br />
CONVENTIONNELLE<br />
Depuis le 1 er janvier 2010, date <strong>du</strong> transfert au<br />
<strong>CEA</strong> des activités menées par le centre de Gramat<br />
au sein de la Direction générale de l’armement<br />
(DGA), la défense conventionnelle constitue une<br />
mission de la DAM. Ces activités sont con<strong>du</strong>ites<br />
essentiellement dans le cadre de <strong>programmes</strong><br />
Spectromètre de masse à source plasma utilisé<br />
dans le cadre <strong>du</strong> programme NRBC.<br />
d’armement, de <strong>programmes</strong> d’études amont et<br />
d’études technico-opérationnelles, afin de répondre<br />
aux besoins de la Défense en matière de charges<br />
militaires conventionnelles et d’applications<br />
électromagnétiques de défense. Ces dernières se<br />
rapportent à la fois à l’efficacité de ces armements<br />
conventionnels ainsi qu’à la vulnérabilité face à ces<br />
agressions de systèmes d’armes ou d’infrastructures.<br />
Sous pilotage de la direction d’objectifs Défense<br />
conventionnelle, l’année 2011 a été mise à profit<br />
pour consolider la vision à moyen terme initialisée en<br />
2010. Cette démarche a été présentée à la Défense<br />
dans le but d’établir les feuilles de route tant dans le<br />
domaine de la simulation pour la maîtrise de effets<br />
et <strong>du</strong> fonctionnement des charges conventionnelles<br />
que pour les applications électromagnétiques de<br />
défense.<br />
Le centre de Gramat a apporté son expertise dans le<br />
cadre des <strong>programmes</strong> d’armement actuellement en<br />
développement au sein de la DGA.<br />
Le 8 novembre, le Directeur des applications<br />
militaires a procédé à l’homologation officielle<br />
<strong>du</strong> premier standard <strong>du</strong> code de calcul Ouranos, en<br />
présence de responsables de la DGA. L’objectif est<br />
de disposer d’un référentiel de simulation Ouranos<br />
permettant de caractériser le fonctionnement des<br />
armements conventionnels. Le développement de<br />
standards successifs contribuera à la mise en place<br />
de la plateforme générale de simulation des effets<br />
des armes conventionnelles.<br />
Tous ces moyens participent aussi aux dispositifs<br />
d’alerte en cas de séisme ou de tsunami dont le<br />
<strong>CEA</strong> a la responsabilité dans un cadre national<br />
ou européen. Ils ont été mis à contribution<br />
à l’occasion de la crise de Fukushima tant<br />
pour la mise en sécurité des populations<br />
polynésiennes lors <strong>du</strong> tsunami que pour les<br />
évaluations nationales consécutives à la crise.<br />
Le développement <strong>du</strong> Centre national d’alerte<br />
aux tsunamis pour la région Méditerranée et<br />
Atlantique nord-est (Cenalt) implanté sur le<br />
centre DAM Île-de-France, s’est poursuivi avec la<br />
recette interne fin 2011 <strong>du</strong> système qui doit être<br />
opérationnel à la mi-2012.<br />
Préparation d’un test dans une chambre anéchoïque.<br />
36 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
RECHERCHES DE BASE<br />
PHYSIQUE NUCLÉAIRE<br />
Le problème à n-corps sur n cœurs<br />
Pour la première fois, un calcul complètement<br />
microscopique auto-cohérent a fourni le spectre<br />
d’excitation d’un noyau lourd et déformé, l’ 238 U,<br />
des basses énergies jusqu’aux résonances géantes.<br />
L’analyse de ces résultats uniques a fait l’objet d’une<br />
publication scientifique montrant le pouvoir prédictif<br />
des approches de structure nucléaire développées à la<br />
Direction des applications militaires ren<strong>du</strong> possible par<br />
la montée en puissance des simulations numériques<br />
concernant la physique nucléaire. Un grand challenge<br />
a été effectué sur les supercalculateurs Tera 10 et<br />
Tera 100, en utilisant une version <strong>du</strong> code de QRPA<br />
axial exploitant plus de 2 000 cœurs, résultat d’une<br />
collaboration étroite entre physiciens et informaticiens<br />
de la Direction des applications militaires.<br />
Des modèles microscopiques pour évaluer<br />
les sections efficaces des actinides<br />
Le développement de modèles de réaction nucléaire,<br />
dérivés de calculs de champ moyen, a franchi une<br />
nouvelle étape avec la démonstration de la faisabilité<br />
d’évaluations des sections efficaces d’isotopes de<br />
l’uranium, au moyen d’ingrédients microscopiques<br />
normalisés de façon cohérente. L’utilisation de tels<br />
ingrédients microscopiques, implémentés dans le code<br />
Talys, permet de restituer les données expérimentales<br />
avec une qualité comparable à celle des modèles<br />
phénoménologiques traditionnellement utilisés.<br />
Ce travail est le résultat d’une collaboration<br />
internationale entre les physiciens de la DAM,<br />
de l’Université libre de Bruxelles, de NRG Petten<br />
(Pays-Bas) et de l’AIEA (Vienne).<br />
PHYSIQUE DU SOLIDE<br />
Compréhension <strong>du</strong> diagramme de phase<br />
de l’uranium<br />
Une collaboration impliquant des chercheurs de la<br />
Direction des applications militaires, de la Direction des<br />
sciences de la matière, de l’ESRF (Grenoble) et de Los<br />
Alamos a permis d’étudier les courbes de dispersion<br />
de phonons dans l’uranium en fonction de la pression.<br />
En particulier, l’anomalie <strong>du</strong> spectre de phonons dans<br />
la direction [100] a été étudiée sous pression sur<br />
le plan théorique et expérimental. <strong>Les</strong> calculs ont<br />
montré la forte dépendance en pression <strong>du</strong> couplage<br />
électron-phonon, alors que la surface de Fermi est, de<br />
façon surprenante, indépendante de la pression. Ces<br />
résultats ont permis une meilleure compréhension <strong>du</strong><br />
diagramme de phase complexe de l’uranium.<br />
MOLÉCULES ÉNERGÉTIQUES<br />
Vers un modèle de prédiction pour les systèmes<br />
de détection<br />
La Direction des applications militaires développe<br />
des capteurs chimiques pour la détection d’explosifs<br />
ou de précurseurs dans le cadre <strong>du</strong> programme<br />
interministériel de R&D NRBC-E. Des recherches<br />
amont sont menées afin d’améliorer la compréhension<br />
des phénomènes mis en jeu dans le processus<br />
de détection et développer un modèle de prédiction<br />
des réponses <strong>du</strong> capteur. Un point clé réside dans<br />
la détermination des paramètres thermodynamiques,<br />
en particulier l’enthalpie de mélange en phase<br />
condensée, qui décrivent l’interaction entre le matériau<br />
sensible <strong>du</strong> capteur et la cible à détecter. Une méthode<br />
originale fondée sur les techniques de spectrométrie<br />
en Résonance magnétique nucléaire (RMN) a été<br />
proposée pour mesurer cette quantité et la confronter<br />
à celle déterminée par le calcul.<br />
MATÉRIAUX<br />
Tenue au flux des cristaux de diphosphate<br />
de potassium deutéré<br />
La Direction des applications militaires a mis au point<br />
un procédé de croissance cristallographique basé<br />
sur le contrôle commun de la température et de<br />
la concentration de la phase liquide, facile à mettre<br />
en œuvre, permettant d’augmenter sensiblement<br />
la tenue au flux des optiques de diphosphate<br />
de potassium deutéré (DKDP) servant au triplement<br />
de fréquence des faisceaux laser <strong>du</strong> laser Mégajoule.<br />
Ces travaux se poursuivent par l’in<strong>du</strong>strialisation <strong>du</strong><br />
procédé qui doit notamment garantir la conservation<br />
des caractéristiques fondamentales spécifiées des<br />
optiques.<br />
Quand l’eau apporte des propriétés mécaniques<br />
aux polymères<br />
En collaboration avec le Laboratoire de chimie<br />
organique et organométallique de l’Université de<br />
Bordeaux, une équipe de la DAM a mené une étude<br />
portant sur des mousses de polyvinyltriazole.<br />
Ces travaux ont permis de décrire l’élaboration<br />
de ces polymères à porosité ouverte et faire leur<br />
caractérisation poussée. Leur particularité réside dans<br />
une tenue mécanique exceptionnellement élevée<br />
pour un matériau présentant plus de 75 % de vide.<br />
Une étude fine en résonance magnétique nucléaire<br />
a permis d’attribuer cette propriété à la présence<br />
de molécules d’eau faisant partie intégrante de la<br />
structure macromoléculaire.<br />
Propriétés sous choc <strong>du</strong> plastique dopé<br />
au germanium<br />
Une première expérience visant à mesurer les<br />
propriétés sous choc laser <strong>du</strong> plastique dopé au<br />
germanium vient de s’achever sur l’installation<br />
Gekko XII, à l’Université d’Osaka (Japon). Cette<br />
expérience est le résultat d’une collaboration<br />
entre des équipes de la Direction des applications<br />
militaires et l’Université d’Osaka. Des pressions<br />
atteignant 1,4 Térapascal, soit 14 millions de<br />
fois la pression atmosphérique, ont été obtenues<br />
dans ce matériau utilisé pour la conception des<br />
capsules de fusion thermonucléaire. L’ensemble des<br />
données permettra de valider les lois de mélange<br />
utilisées notamment dans les codes de simulation<br />
hydrodynamique pour concevoir ces capsules.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 37
1A 1C<br />
LES TECHNOLOGIES POUR<br />
L’INFORMATION ET LES RECHERCHES<br />
FONDAMENTALES<br />
ASSOCIÉES<br />
Temps forts<br />
vue en coupe<br />
d’une partie<br />
de circuit.<br />
vue en coupe<br />
de la grille d’un<br />
transistor.<br />
Technologie de transistors CMOS<br />
« Fully depleted » SOI (FDSOI)<br />
La technologie CMOS FDSOI, sur laquelle le Leti travaille depuis<br />
plus de cinq ans, est un candidat majeur pour les futures générations<br />
de circuits intégrés. En 2011, les équipes de STMicroelectronics<br />
et <strong>du</strong> Leti ont démontré la montée en maturité de cette technologie<br />
en passant avec succès les premières étapes <strong>du</strong> processus menant<br />
à une in<strong>du</strong>strialisation de la filière. En parallèle, les gains en<br />
performance atten<strong>du</strong>s ont été validés via la démonstration<br />
d’un accroissement de 20 à 40 % de la vitesse de fonctionnement<br />
des circuits, au-dessus des technologies usuelles.<br />
38 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Valoriser l’in<strong>du</strong>strie<br />
grâce à la recherche<br />
technologique.<br />
Poste de lithographie.<br />
HERCULE, premier exosquelette français<br />
La principale fonction de l’exosquelette dit Hercule est d’assister<br />
les soldats ou sauveteurs dans le port et la manipulation de charges<br />
importantes. La structure articulée (dos et jambes) <strong>du</strong> robot,<br />
qui suit les mouvements de son utilisateur, l’assiste de façon<br />
« intelligente », en portant son propre poids et des charges allant<br />
jusqu’à 100 kg. Son autonomie atteint 20 km pour une vitesse<br />
de 4 km/h, grâce aux batteries dont il est équipé. L’originalité<br />
<strong>du</strong> « cobot » (robot collaboratif) réside dans ses moteurs électriques<br />
de dernière génération qui lui assurent un rendement exceptionnel,<br />
une grande réversibilité et une compacité inédite.<br />
Un laboratoire commun <strong>CEA</strong>-LIST/EADS<br />
Situé à Toulouse au sein des locaux d’EADS IW, il a pour mission<br />
la recherche et le développement de méthodes répondant aux<br />
besoins croissants de contrôle sur les composants aéronautiques<br />
au sein <strong>du</strong> groupe EADS, dans le domaine <strong>du</strong> contrôle non-destructif<br />
(CND) actif et <strong>du</strong> contrôle santé intégré, notamment par<br />
ondes élastiques ultrasonores et ondes électromagnétiques.<br />
Le laboratoire commun devra assurer le soutien au transfert<br />
technologique avec une politique de recherche et de valorisation<br />
commune (publications et communications, montage de nouveaux<br />
projets…).<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 39
1 I C<br />
LES TECHNOLOGIES POUR L’INFORMATION<br />
ET LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
Le <strong>CEA</strong> assure chaque année le développement et le transfert de technologies de l’information innovantes<br />
dans les secteurs <strong>du</strong> multimédia, de la biologie et de la santé, des télécoms, <strong>du</strong> spatial et dans les in<strong>du</strong>stries<br />
intégratives. Grâce à son investissement dans les micro et nanotechnologies, il soutient la compétitivité<br />
de nombreux acteurs de la microélectronique français et européens et favorise également l’innovation<br />
et son transfert autour de partenariats in<strong>du</strong>striels pérennes sur les systèmes numériques intelligents.<br />
TECHNOLOGIES POUR L’INFORMATION<br />
Salle de préparation d’échantillons avant<br />
nanocaractérisation.<br />
MICRO ET<br />
NANOTECHNOLOGIES<br />
Lithographie par multiples faisceaux<br />
d’électrons<br />
Un des défis majeurs auquel doit faire face<br />
l’in<strong>du</strong>strie de la microélectronique tient<br />
actuellement à la possibilité de réaliser<br />
les motifs extrêmement fins (dans la gamme<br />
20-30 nm) par des techniques de lithographie.<br />
<strong>Les</strong> solutions purement optiques deviennent<br />
très complexes à utiliser et donc très coûteuses.<br />
Elles peuvent également nécessiter l’emploi de<br />
rayonnements dans l’extrême UV, domaine dans<br />
lequel les difficultés à surmonter sont encore<br />
très nombreuses (source de lumière, technologie<br />
de masques, etc.). Le Laboratoire d’électronique<br />
et de technologies de l’information <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
(Leti), dans un partenariat étroit avec la société<br />
néerlandaise Mapper, propose une solution<br />
fondée sur un mécanisme d’écriture directe des<br />
motifs par de multiples faisceaux d’électrons.<br />
La multiplicité des faisceaux permet en effet<br />
d’offrir des temps d’écriture compatibles avec<br />
les exigences in<strong>du</strong>strielles. En 2011, le Leti a<br />
démontré la possibilité de réaliser des motifs de<br />
22 nm via cette approche (lignes, espaces, trous).<br />
L’année a également été marquée par un très<br />
fort élargissement <strong>du</strong> partenariat <strong>du</strong> Leti dans<br />
ce secteur puisque désormais 11 partenaires<br />
in<strong>du</strong>striels participent à ce programme.<br />
Plateforme de nanocaractérisation<br />
à l’état de l’art mondial<br />
<strong>Les</strong> très faibles dimensions (dans la gamme<br />
nanométrique), qui sont aujourd’hui rencontrées<br />
dans les circuits intégrés, et la diversité croissante<br />
des matériaux employés dans les couches d’un<br />
transistor imposent le recours à des techniques<br />
de caractérisation physico-chimique toujours plus<br />
poussées. Depuis plusieurs années, le Leti s’est<br />
doté d’une plateforme au meilleur niveau mondial<br />
dans ce domaine. Celle-ci a permis de démontrer<br />
la faisabilité de profils de dopage dans le silicium<br />
ou de contraintes avec une résolution de 1 nm.<br />
Le potentiel de cette plateforme a également<br />
été éten<strong>du</strong> cette année avec l’installation d’un<br />
nouvel équipement de microscopie électronique<br />
offrant une résolution spatiale de 0,05 nm.<br />
Composants de puissance<br />
à base de nitrure de gallium<br />
Avec le retour au premier plan des questions<br />
énergétiques, le Leti a relancé depuis quelques<br />
années un programme de recherche dans le<br />
domaine des composants électroniques de<br />
puissance qui sont des pièces essentielles<br />
dans la gestion de la distribution de l’énergie<br />
Machine d’épitaxie par jets moléculaires,<br />
utilisée dans les nouvelles générations<br />
de détecteurs infrarouges.<br />
électrique et dans le domaine des véhicules<br />
électriques ou hybrides. En 2011, il a développé<br />
des transistors à base de nitrure de gallium<br />
fonctionnant dans la gamme 600 V – 10 A.<br />
Cette réalisation a bénéficié de l’entrée <strong>du</strong><br />
<strong>CEA</strong>, fin 2010, dans le GIE III-V Lab qui réunit<br />
désormais Thales, Alcatel-Lucent et le <strong>CEA</strong>.<br />
Nanofils de silicium pour capturer<br />
le mouvement<br />
<strong>Les</strong> capteurs de mouvement investissent de<br />
plus en plus notre quotidien, que cela soit dans<br />
la téléphonie mobile (iphone4), les jeux (Wii),<br />
les télécommandes pour IPTV (Free / Movea), le<br />
sport, la réé<strong>du</strong>cation, la médecine. Cette capture<br />
<strong>du</strong> mouvement repose sur l’utilisation de minicentrales<br />
inertielles 3A3M3G, comprenant<br />
un accéléromètre trois axes, un magnétomètre<br />
trois axes et un gyromètre trois axes.<br />
Ces capteurs multi-axes doivent répondre à des<br />
exigences de plus en plus sévères en termes<br />
de coût, de miniaturisation et de consommation.<br />
40 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Afin de favoriser l’innovation in<strong>du</strong>strielle, le <strong>CEA</strong> dispose<br />
d’une recherche technologique de haut niveau dans le domaine<br />
des micro et nanotechnologies et celui des technologies<br />
logicielles : systèmes embarqués et interactifs,<br />
capteurs et traitement <strong>du</strong> signal.<br />
Poste de lithographie en salle blanche de microélectronique.<br />
Grâce au concept M&NEMS, nous avons démontré<br />
la faisabilité de l’intégration d’un capteur inertiel<br />
9 axes sur une même puce qui présente de<br />
nombreux avantages par rapport à l’état de l’art<br />
(en termes de taille, consommation et coût) et<br />
en font une véritable rupture technologique.<br />
Ce concept fait l’objet de nombreux brevets Leti.<br />
Il repose sur une détection utilisant des nanofils<br />
piézorésistifs en silicium (section 250 x 250 nm²)<br />
intégrés dans une structure mécanique de<br />
dimensions micrométriques qui amplifie, par<br />
l’effet d’un bras de levier et la concentration<br />
de contrainte dans les nano-jauges, l’effort in<strong>du</strong>it<br />
par la grandeur à mesurer (accélération, champ<br />
magnétique ou vitesse de rotation). Cette double<br />
amplification <strong>du</strong> signal mécanique permet de<br />
miniaturiser de manière importante les capteurs<br />
inertiels, sans perte de performance.<br />
<strong>Les</strong> développements se poursuivent dans le cadre<br />
de plusieurs projets et des discussions avancées<br />
avec des acteurs majeurs dans le domaine<br />
des MEMS sont en cours, en vue de transferts<br />
in<strong>du</strong>striels.<br />
Une technologie pour voir les galaxies<br />
lointaines<br />
Dans le cadre <strong>du</strong> projet Rapid, Le Leti a développé<br />
des matrices de détecteurs Infrarouge à base<br />
de diodes à avalanche en HgCdTe (MCT-APD :<br />
Mercury Cadmium Telluride - Avalanche Photon<br />
Detector) pour l’observation astronomique.<br />
Ces APD constituent une technologie<br />
révolutionnaire idéale pour la détection<br />
de signaux optiques très faibles avec<br />
une conservation <strong>du</strong> rapport signal sur<br />
bruit jamais atteinte à ce jour par aucun<br />
autre détecteur existant amplifié.<br />
<strong>Les</strong> partenaires <strong>du</strong> projet ont conçu et réalisé<br />
en 2011 une caméra « Rapid », le premier<br />
prototype infrarouge (IR) de ce type qui est,<br />
aujourd’hui avec 1 500 images/s, la plus rapide<br />
et la plus sensible au monde. La principale<br />
percée technologique de cette caméra, en<br />
MCT-APD, est liée entre autres, à son faible<br />
courant d’obscurité, à un gain d’amplification<br />
au niveau <strong>du</strong> pixel sans excès de bruit, à une<br />
efficacité quantique élevée et à une détection<br />
de la lumière allant des UV à l’IR : de 0,4 à 3 µm.<br />
Le Leti est le seul institut public qui fabrique<br />
des MCT-APD de très haute performance.<br />
Cette position unique devrait lui permettre<br />
de développer des matrices de détecteurs<br />
infrarouge pour équiper des caméras utilisées<br />
par les scientifiques afin de réaliser des<br />
« premières » observations astrophysiques.<br />
La technologie des APD HgCdTe est<br />
actuellement en cours de transfert à Sofradir<br />
et doit con<strong>du</strong>ire très prochainement à une<br />
nouvelle ligne de pro<strong>du</strong>its pour l’entreprise.<br />
Associé à un microscope à balayage, le<br />
Focus ion beam (FIB) est un instrument<br />
très performant. Ces images montrent<br />
l‘extraction d’une lamelle contenant un<br />
transistor de circuit intégré.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 41
1 I C<br />
LES TECHNOLOGIES POUR L’INFORMATION<br />
ET LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
RECHERCHE FONDAMENTALE EN NANOSCIENCES<br />
Le <strong>CEA</strong> développe un ambitieux programme<br />
de recherche fondamentale en nanosciences en<br />
relation avec les technologies de l’information.<br />
L’objectif est d’organiser, comprendre et observer<br />
la matière à l’échelle nanométrique, où apparaissent<br />
souvent des propriétés radicalement nouvelles,<br />
notamment associées à des effets quantiques.<br />
Le <strong>CEA</strong> a poursuivi son effort de structuration<br />
et de dynamisation de ses liens avec ses<br />
partenaires académiques. Sur Saclay, les équipes<br />
de l’Institut rayonnement matière de Saclay<br />
(Iramis) sont au cœur <strong>du</strong> Laboratoire d’excellence<br />
Nano-Saclay, qui complète la dynamique mise<br />
en place par l’opération Nano-Innov/Centre<br />
nanosciences et nanotechnologies. À Grenoble,<br />
l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac)<br />
porte, avec quatre partenaires, le Laboratoire<br />
d’excellence Lanef (Alliances nanosciences –<br />
énergie <strong>du</strong> futur) et pose ainsi les bases <strong>du</strong> pôle<br />
de recherche fondamentale <strong>du</strong> campus Giant.<br />
En spintronique, la capacité des équipes <strong>du</strong><br />
<strong>CEA</strong> à coupler avancées fondamentales et<br />
développements technologiques est une force :<br />
l’exploitation d’un nouvel effet en spintronique,<br />
dit Rashba, a permis aux équipes de l’Inac<br />
d’écrire de l’information dans un point mémoire<br />
magnétique avec un moindre coût énergétique et<br />
de meilleures perspectives d’intégration aux hautes<br />
densités. Une équipe de l’Iramis a développé<br />
des capteurs magnétiques ultrasensibles<br />
(basés sur la magnétorésistance géante) pour<br />
une imagerie dynamique <strong>du</strong> cycle cardiaque,<br />
possible sans pose d’électrodes sur le patient.<br />
En photonique, le développement à l’Inac d’une<br />
nouvelle source laser compacte de rayonnement<br />
térahertz est une étape clef vers l’exploration<br />
de lasers à cascade quantique, dans cette gamme<br />
de longueurs d’onde aux applications stratégiques.<br />
Sur la base d’innovations de l’Inac et <strong>du</strong> Leti,<br />
la start-up Heliodel a essaimé, avec l’ambition<br />
de pro<strong>du</strong>ire des diodes électroluminescentes<br />
à base de nanofils de nitrures.<br />
Par ses recherches en amont de la nanoélectronique,<br />
le <strong>CEA</strong> renforce sa capacité<br />
d’innovation. Par des études à basses températures<br />
sur des transistors MOSFETs <strong>du</strong> Leti, une équipe de<br />
l’Inac a montré que la variabilité des performances<br />
observée à température ambiante est <strong>du</strong>e à la<br />
position d’un seul atome de dopant dans le canal<br />
source-drain. Sur la voie <strong>du</strong> calcul quantique, de<br />
nouvelles perspectives s’ouvrent en combinant bits<br />
quantiques de type circuit électrique et systèmes<br />
quantiques microscopiques. Étape importante,<br />
une équipe de l’Iramis a réalisé le premier transfert<br />
d’information quantique entre un bit quantique<br />
supracon<strong>du</strong>cteur et un ensemble de spins.<br />
Tra<strong>du</strong>ction de l’excellence indivi<strong>du</strong>elle des<br />
chercheurs, trois projets « ERC Starting<br />
Grant » ont été obtenus en 2011 à l’Inac,<br />
sur la spintronique quantique, les sources<br />
térahertz et la nanoélectronique.<br />
Des tapis de nanotubes de carbone bien alignés<br />
promettent de nombreuses applications :<br />
membranes de filtration, composants électroniques<br />
passifs et actifs, matériaux composites, etc.<br />
Microscope électronique en transmission Titan.<br />
Couplant compréhension fondamentale de la<br />
croissance et développements technologiques,<br />
une équipe de l’Iramis a développé un procédé de<br />
pro<strong>du</strong>ction sur des disques de 300 mm de diamètre.<br />
<strong>Les</strong> capacités en nanocaractérisation<br />
conditionnent une recherche compétitive.<br />
Ainsi, la plateforme <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> Grenoble (PFNC),<br />
qui rassemble équipes de recherche fondamentale<br />
et technologique, a été renforcée par un microscope<br />
électronique Titan Ultimate (résolution 0,05 nm),<br />
et la création d’un laboratoire commun avec<br />
la société FEI.<br />
Avec ses partenaires, le <strong>CEA</strong> porte les Equipex<br />
Tempos (élaboration et caractérisation de nanoobjets)<br />
à Saclay et CRG\F (utilisation<br />
de l’ERSF pour la nanocaractérisation) à Grenoble.<br />
<strong>Les</strong> chimistes de l’Iramis et les biophysiciens<br />
de l’Insitut de biologie et de technologies<br />
de Saclay (IbiTec-S) ont, en collaboration avec<br />
l’ENS Lyon, réalisé une sonde cellulaire fondée<br />
sur l’extrême sensibilité de la RMN <strong>du</strong> Xenon<br />
polarisé : elle ouvre la voie à la détection in vivo<br />
d’évènements biologiques intracellulaires par<br />
Imagerie par résonance magnétique (IRM).<br />
Wafer MRAM.<br />
La pro<strong>du</strong>ction de nanotubes de silice de diamètre spécifique maîtrisée :<br />
Adoptant une approche biomimétique, des chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>/iBiTec-S, <strong>du</strong> CNRS et <strong>du</strong> laboratoire<br />
pharmaceutique Ipsen se sont intéressés au Lanréotide, un cyclopeptide composé de huit acides<br />
aminés qui possède la particularité de former des nanotubes de peptides en s’auto-associant.<br />
En modifiant l’un des acides aminés impliqué dans le contact entre peptides, les chercheurs ont<br />
réussi à faire varier, tout en le contrôlant, le diamètre des nanotubes ainsi formés.<br />
La caractérisation de ces architectures supramoléculaires a été réalisée par microscopie<br />
électronique et diffusion de rayons X au synchrotron Soleil. <strong>Les</strong> chercheurs ont ensuite utilisé<br />
ces nanotubes auto-assemblés comme moules pour pro<strong>du</strong>ire toute une gamme de nanotubes de<br />
silice allant de 10 à 36 nm de diamètre, une première ! Ces résultats ouvrent la voie à un large<br />
panel d’applications comme les fibres optiques ou la nano-filtration…<br />
42 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
TÉLÉCOMS ET OBJETS<br />
COMMUNICANTS<br />
Communication sans fil courte portée<br />
et radiolocalisation<br />
Un des objectifs <strong>du</strong> projet Where2, financé<br />
par la communauté européenne, consiste à<br />
développer des solutions de radiolocalisation<br />
innovantes, exploitant des liens opportunistes<br />
entre terminaux mobiles, tout en s’appuyant<br />
sur de multiples technologies et standards<br />
radio. La position et la vitesse des utilisateurs,<br />
ainsi estimées, doivent permettre d’optimiser<br />
le fonctionnement des futurs réseaux de<br />
communication sans fil, en améliorant l’ubiquité<br />
d’accès, la consommation énergétique et les<br />
débits disponibles. D’autres applications visées<br />
concernent la navigation personnelle à l’intérieur<br />
des bâtiments, l’offre de services commerciaux<br />
topo-dépendants ou encore, la sécurité. En<br />
autorisant pour l’utilisateur final de nouveaux<br />
services, mieux adaptés au contexte et portés<br />
par des technologies en rupture transférables<br />
à court terme vers l’in<strong>du</strong>strie européenne, le<br />
projet Where2 doit permettre de renforcer<br />
le positionnement de cette dernière dans le<br />
secteur de l’accès sans fil mobile et haut-débit.<br />
Au sein <strong>du</strong> consortium Where2, fort d’une<br />
expertise reconnue dans les domaines clés des<br />
communications sans fil courte portée et de la<br />
radiolocalisation, le Leti est aujourd’hui l’unique<br />
partenaire pourvoyeur de plateformes Ultra<br />
Large Bande (UWB) intégrées. Ces plateformes,<br />
à très faible consommation énergétique, sont<br />
douées de capacités de mesure de distance. Une<br />
précision décimétrique a pu être démontrée pour<br />
des portées de plusieurs dizaines de mètres,<br />
avec une première génération de plateformes.<br />
À terme, une précision centimétrique est même<br />
visée pour les générations actuellement en cours<br />
Démonstration d’une communication sans fil<br />
opportuniste par radio cognitive.<br />
de développement. Le Leti fournira ces mêmes<br />
briques technologiques en vue de l’intégration<br />
d’un démonstrateur hétérogène complet.<br />
En support de ces tâches d’implémentation<br />
et de démonstration, le Leti coordonne<br />
également le groupe de travail responsable<br />
des études théoriques et algorithmiques<br />
concernant les fonctions de radiolocalisation.<br />
Réseaux d’antennes intégrées pour<br />
communications radio très haut débit<br />
En collaboration avec STMicroelectronics, le<br />
Leti développe des solutions de communication<br />
radio très haut débit en bande millimétrique<br />
(57-66 GHz) pour la transmission de vidéo<br />
haute définition ou de grandes quantités de<br />
données (synchronisation d’objets communicants,<br />
téléchargement de contenu multimédia)<br />
suivant les standards IEEE 802.15.3, WiGiG, ou<br />
WirelessHD. Un des défis actuels est l’intégration<br />
des fonctions radio et antenne au sein d’un<br />
même mo<strong>du</strong>le de quelques millimètres carrés<br />
répondant aux contraintes de ces applications<br />
grand public en termes de coût et de performance.<br />
Dans cette optique, les technologies d’intégration<br />
sur silicium sont très prometteuses : fabrication<br />
collective pour marchés à fort volume, forte<br />
densité d’intégration, précision de fabrication,<br />
bonnes propriétés intrinsèques <strong>du</strong> silicium<br />
(dissipation thermique, compatibilité avec les<br />
circuits intégrés CMOS). Au cours <strong>du</strong> programme<br />
2010-2011 <strong>du</strong> laboratoire commun Leti-<br />
STMicroelectronics, une solution d’antenne<br />
répondant aux spécifications électriques (bande<br />
passante, gain) des applications visées a été<br />
entièrement réalisée sur la plateforme silicium<br />
200 mm <strong>du</strong> Leti. <strong>Les</strong> dimensions de l’antenne sont<br />
2,3 x 2,2 x 0,4 mm 3 . La faisabilité d’un dépointage<br />
de faisceau dans une gamme de ±60° grâce à des<br />
réseaux de quatre antennes a été démontrée.<br />
À court terme, l’intégration complète d’un<br />
mo<strong>du</strong>le contenant un circuit émetteur-récepteur<br />
associé à deux antennes (Tx, Rx) de dimensions<br />
inférieures à 7 x 7 x 0,6 mm 3 et permettant des<br />
communications à 3,8 Gb/s à une distance de 1 à<br />
3 m est envisagée. À moyen terme, des mo<strong>du</strong>les<br />
plus complexes, comprenant 4 à 8 antennes,<br />
permettront d’atteindre des distances de l’ordre<br />
de 10 m, grâce à des fonctions de dépointage<br />
électronique <strong>du</strong> faisceau de l’antenne.<br />
Salle blanche de microélectronique.<br />
Eliot : détection et localisation de tuyaux<br />
grâce aux tags RFID<br />
RYB, fabricant français de systèmes de<br />
canalisations en polyéthylène et fournisseur<br />
majeur en Europe sur le marché de l’eau,<br />
<strong>du</strong> gaz, de l’électricité et des in<strong>du</strong>stries des<br />
télécommunications, s’est associé au Leti<br />
pour développer une technologie permettant<br />
d’identifier les tuyaux en plastique enterrés<br />
et ce, dans tous types de sols et quelles que<br />
soient les conditions d’humidité. Après avoir<br />
instruit plusieurs approches, la solution choisie<br />
permet la détection et la localisation grâce à<br />
l’utilisation de tags RFID innovants intégrés<br />
dans les tuyaux. En 2010, la faisabilité de la<br />
détection horizontale avait été démontrée<br />
en conditions réelles sur différents chantiers,<br />
y compris en terrain saturé d’eau. Cette<br />
innovation, brevetée par le Leti, constitue une<br />
véritable rupture technologique en identifiant<br />
et validant une solution viable à ce problème<br />
qui n’avait pas jusqu’alors trouvé de solution.<br />
Eliot, qui est maintenant une marque déposée<br />
de RYB, permet d’enregistrer sur la canalisation<br />
et de lire depuis la surface des informations<br />
telles que la date de fabrication des tuyaux, le<br />
numéro de série, le grade de plastique utilisé,<br />
le diamètre et la pression nominale et bien<br />
enten<strong>du</strong> la nature <strong>du</strong> réseau enterré (gaz, eau<br />
potable, assainissement, fourreaux pour câbles<br />
électriques, ou câbles de télécommunications...).<br />
Une nouvelle phase <strong>du</strong> projet se concentre<br />
maintenant sur l’ajout de nouvelles fonctions<br />
dont l’estimation de profondeur, ainsi que sur<br />
l’in<strong>du</strong>strialisation de la gamme de solutions<br />
Eliot en 2012. Eliot devrait ainsi constituer une<br />
avancée technologique majeure dans le domaine<br />
de canalisations enterrées et dans la gestion des<br />
infrastructures de réseau. Ce système pourra<br />
potentiellement être déployé sur plusieurs<br />
milliers de kilomètres de canalisations par an.<br />
La technologie a pour objectif de ré<strong>du</strong>ire les<br />
accidents d’arrachement de canalisations sur les<br />
chantiers (on déplore environ 100 000 accidents<br />
de ce type par an en France) et devrait ainsi<br />
contribuer à rendre les chantiers plus sûrs et<br />
d’en ré<strong>du</strong>ire les pertes économiques énormes.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 43
1 I C<br />
LES TECHNOLOGIES POUR L’INFORMATION<br />
ET LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
TECHNOLOGIES LOGICIELLES<br />
ET INGÉNIERIE NUMÉRIQUE<br />
HERCULE, premier exosquelette français<br />
Grande vedette <strong>du</strong> salon Milipol (Parc des<br />
expositions - Paris), l’exosquelette dit Hercule<br />
a fait ses premiers pas en public le 18 octobre.<br />
Sa principale fonction est d’assister les soldats<br />
ou sauveteurs dans le port et la manipulation<br />
de charges importantes. La structure articulée<br />
(dos et jambes) <strong>du</strong> robot, qui suit les mouvements<br />
de son utilisateur, l’assiste de façon<br />
« intelligente », en portant son propre poids<br />
et des charges allant jusqu’à 100 kg.<br />
(cf temps fort page 38). Le projet a été développé<br />
dans le cadre d’un programme DGA (Rapid)<br />
par la société RB3D, le Laboratoire d’intégration<br />
de systèmes et de technologies (List) <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
et l’ESME Sudria.<br />
Avec la perspective prochaine d’ajout de bras<br />
articulés, Hercule, dont la commercialisation est<br />
envisagée d’ici à 2015, intéresse de nombreux<br />
acteurs. Outre les applications militaires,<br />
le robot pourrait aussi trouver sa place dans<br />
le monde civil : sécurité (pompiers et équipes<br />
d’intervention), environnements in<strong>du</strong>striels<br />
comme le BTP par exemple, mais aussi<br />
les hôpitaux dans lesquels les malades<br />
et/ou handicapés subissent de<br />
nombreux déplacements.<br />
Hercule, premier exosquelette français.<br />
Références métrologiques pour les rayons X<br />
de haute énergie en petits champs d’irradiation<br />
La plupart des nouveaux accélérateurs<br />
de radiothérapie sont dotés de collimateurs<br />
multi-lames afin de mieux cibler la tumeur<br />
et de limiter les dommages collatéraux aux tissus<br />
sains environnants. <strong>Les</strong> physiciens médicaux<br />
étalonnent régulièrement ces accélérateurs.<br />
La procé<strong>du</strong>re usuelle recommandée préconise<br />
un étalonnage en champ d’irradiation de<br />
10 x 10 cm 2 alors que les irradiations utilisent<br />
des champs beaucoup plus petits.<br />
Afin de se rapprocher des besoins des utilisateurs,<br />
plusieurs laboratoires nationaux de métrologie,<br />
NPL anglais, PTB allemand et le Laboratoire<br />
national Henri Becquerel <strong>du</strong> List se sont réunis<br />
dans le cadre <strong>du</strong> projet européen de métrologie<br />
« External Beam Cancer Therapy » (2009-2011).<br />
Le but était d’établir des références en dose<br />
absorbée dans l’eau pour des petits champs<br />
d’irradiation à l’aide des instruments les plus<br />
précis à leur disposition.<br />
Au cours <strong>du</strong> projet, le List a établi des références<br />
pour trois faisceaux d’énergies différentes en<br />
champs de 10 x 10 cm 2 et de 4 x 4 cm 2 à l’aide<br />
d’une nouvelle méthode basée sur la calorimétrie<br />
graphite et permettant de ré<strong>du</strong>ire l’incertitude<br />
d’un facteur 2. Afin de ré<strong>du</strong>ire encore la taille<br />
<strong>du</strong> champ d’irradiation, il a fallu construire un<br />
nouveau calorimètre graphite dont l’élément<br />
sensible était lui-même de taille ré<strong>du</strong>ite : diamètre<br />
6 mm au lieu de 16 mm. Ceci a permis au List de<br />
caractériser trois faisceaux d’énergies différentes<br />
dans un champ de 2 x 2 cm 2 . <strong>Les</strong> variations<br />
observées des coefficients d’étalonnage de<br />
chambres d’ionisations avec la taille <strong>du</strong> champ<br />
sont inférieures à 0,6 %.<br />
Calorimètre pour la mesure absolue de la dose<br />
absorbée dans l’eau en radiothérapie.<br />
44 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Rotor d’un avion.<br />
Premiers tests <strong>du</strong> diagnostic de câbles<br />
sur avion et hélicoptère<br />
Airbus a mis à disposition <strong>du</strong> List l’A380<br />
« MSN-1 » pour des tests de détection et<br />
localisation de défauts sur une liaison de type<br />
bus CAN (Controller Area Network). <strong>Les</strong> méthodes<br />
et systèmes de diagnostic de câbles développés<br />
au List sont connus d’Airbus et testés depuis<br />
2008 pour des lignes de puissance, dans l’objectif<br />
d’une surveillance embarquée. Airbus a donc<br />
souhaité évaluer leurs performances dans le cas<br />
d’un bus CAN, tel que celui de la commande des<br />
ventilateurs de soute : une liaison de près de<br />
30 mètres avec 7 consommateurs. <strong>Les</strong> chercheurs<br />
<strong>du</strong> List ont prouvé que la détection est efficace<br />
mais la présence de ramifications rend la<br />
localisation moins précise. Il faut alors accéder<br />
au réseau en plusieurs endroits et utiliser un<br />
modèle numérique pour améliorer la localisation.<br />
Eurocopter a souhaité tester la technologie<br />
<strong>du</strong> List sur le système de dégivrage des pales<br />
de l’hélicoptère NH90 pour les rotors avant et<br />
arrière. Des tests ont été réalisés dans l’usine<br />
de Marignane, pour démontrer l’intérêt <strong>du</strong><br />
diagnostic sur ces liaisons inhomogènes.<br />
<strong>Les</strong> résultats sont très bons sur la pale <strong>du</strong> rotor<br />
principal et sur les liaisons cabine — rotors ;<br />
la détection et la localisation des défauts ont<br />
été prouvées. Une démonstration a été faite<br />
sur le site de Lufthansa à Hambourg.<br />
Des tests sur Boeing sont également prévus.<br />
Livraison de la version in<strong>du</strong>strielle<br />
<strong>du</strong> générateur de modèles de Papyrus<br />
La modélisation système propose un cadre<br />
de développement permettant à des équipes<br />
de concepteurs d’échanger des informations<br />
structurées sur lesquelles vont être garantis<br />
la cohérence, la traçabilité et la diminution des<br />
erreurs et les coûts de développement. Esterel<br />
Technologies souhaite étendre sa suite logicielle<br />
à la conception système par modèles. Un nouveau<br />
pro<strong>du</strong>it devrait bientôt être proposé, Scade<br />
System Designer, basé sur le formalisme SysML<br />
et l’outil Papyrus <strong>du</strong> List. Pour préparer la sortie<br />
commerciale <strong>du</strong> pro<strong>du</strong>it, le List a livré une version<br />
in<strong>du</strong>strielle <strong>du</strong> générateur de modèles Papyrus.<br />
Cette étape significative va accélérer la diffusion<br />
de la technologie dans des secteurs tels que<br />
l’aéronautique, le nucléaire ou l’automobile.<br />
L’interrupteur optique le plus rapide <strong>du</strong> monde<br />
Exemple de switch ethernet, celui-ci<br />
assure l’interconnexion entre les baies<br />
de calcul de Tera 100.<br />
Des chercheurs de l’Inac ont réalisé l’interrupteur<br />
photonique le plus rapide <strong>du</strong> monde. La commutation<br />
<strong>du</strong>re 0,3 pico-seconde (10 -12 s), atteignant donc<br />
le térahertz (10 12 Hz). Une <strong>du</strong>rée cent fois plus<br />
courte que pour le meilleur switch électrique !<br />
Ils ont réalisé un montage optique comportant<br />
une microcavité planaire GaAs/AlAs et des<br />
faisceaux laser « pompe » et « sonde », optimisés<br />
pour que la lumière traverse le matériau sans être<br />
absorbée. Un effet électro-optique, l’effet Kerr,<br />
modifie instantanément l’indice de réfraction<br />
de la cavité en présence <strong>du</strong> faisceau pompe, de<br />
manière à éteindre le faisceau sonde. Le temps<br />
de commutation de la cavité est seulement limité<br />
par la dynamique de la lumière dans la cavité et<br />
non plus par les propriétés <strong>du</strong> matériau traversé.<br />
Ces travaux encore très exploratoires ouvrent<br />
de vastes perspectives en transmissions optiques<br />
et dans les systèmes de télécoms multi-longueurs<br />
d’onde.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 45
1A 1D<br />
LES TECHNOLOGIES POUR<br />
LA SANTÉ ET LES RECHERCHES<br />
FONDAMENTALES<br />
ASSOCIÉES<br />
Temps forts<br />
Echelle 0,5 µm<br />
Des nano-aimants bactériens<br />
Un nouveau groupe de bactéries magnétotactiques pro<strong>du</strong>isant<br />
des nano-aimants de magnétite et de greigite a été caractérisé<br />
par un consortium international dont fait partie le <strong>CEA</strong>. La<br />
culture de bactéries pro<strong>du</strong>isant ceux de greigite, une première,<br />
va permettre de les caractériser et de leur trouver des<br />
applications biotechnologiques. De telles applications pour les<br />
nano-aimants de magnétite sont déjà à l’étude, notamment<br />
pour l’imagerie IRM, la dépollution, ou comme catalyseurs.<br />
46 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Améliorer le délai<br />
et la précision<br />
des diagnostics,<br />
contribuer aux<br />
thérapeutiques<br />
de demain.<br />
Laboratoire de génomique<br />
et radiobiologie de<br />
la kératinopoïèse.<br />
De nouvelles sondes fl uorescentes<br />
Des chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> ont développé une technique de recherche<br />
de sondes fluorescentes à partir d’une classe de molécules<br />
d’intérêt médical, appelées « drug-like », dont l’énorme avantage<br />
est d’être prédisposées à interagir avec des cibles biologiques.<br />
Cette technologie permet de raccourcir considérablement le temps<br />
de synthèse et d’identification de molécules bioactives ainsi<br />
que de diviser par 1 000 la quantité de réactifs nécessaires.<br />
Des gènes silencieux<br />
Le génome est présent dans les cellules sous la forme de chromatine.<br />
L’unité de base de la chromatine, le nucléosome, est constitué d’ADN<br />
enroulé autour de petites protéines basiques, les histones. Ces<br />
protéines sont la cible de multiples modifications post-tra<strong>du</strong>ctionnelles<br />
que l’on qualifie de modifications épigénétiques lorsqu’elles<br />
provoquent un changement <strong>du</strong>rable de l’expression <strong>du</strong> génome, sans<br />
altérer la séquence de l’ADN. Des équipes <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> ont identifié une<br />
nouvelle combinaison de modifications des histones associée à une<br />
répression des gènes. Cette observation met en lumière le rôle de la<br />
chromatine dans le contrôle épigénétique de l’expression <strong>du</strong> génome.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 47
1 I D<br />
LES TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ ET<br />
LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ<br />
Dans ce domaine, la stratégie <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> consiste à allier recherche<br />
fondamentale en biologie-santé et développements technologiques<br />
pour innover dans les domaines diagnostiques et thérapeutiques.<br />
Le programme transversal « Technologies pour la santé »,<br />
piloté par la Direction des sciences <strong>du</strong> vivant, favorise la création<br />
de valeur in<strong>du</strong>strielle à partir des compétences transversales<br />
existant au <strong>CEA</strong> dans ce secteur.<br />
Stockage d’échantillons cryo-congelés<br />
dans un bain d’azote liquide.<br />
<strong>Les</strong> recherches fondamentales en biologie et<br />
santé <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> s’appuient le plus souvent sur<br />
des plateformes technologiques d’envergure<br />
internationale de biologie structurale intégrative,<br />
de biologie à grande échelle ou d’imagerie<br />
biomédicale. Elles ont pour objectif d’améliorer<br />
notre connaissance des mécanismes soustendant<br />
les grandes fonctions physiologiques<br />
et leurs désordres, afin de développer de<br />
nouveaux concepts thérapeutiques ou<br />
diagnostiques. Le <strong>CEA</strong> mène ces recherches<br />
en étroite collaboration avec ses partenaires<br />
(universités, CNRS, Inserm, Inra…) comme l’atteste<br />
la présence de nombreuses équipes et unités<br />
mixtes de recherche au sein de ses instituts.<br />
BIOLOGIE STRUCTURALE<br />
INTÉGRATIVE<br />
La biologie structurale intégrative a pour objectif<br />
de fournir une vision intégrée <strong>du</strong> fonctionnement<br />
de la cellule, afin de comprendre non seulement<br />
son fonctionnement normal, mais aussi ses<br />
dérégulations qui peuvent in<strong>du</strong>ire des pathologies.<br />
Elle s’appuie sur de nombreuses méthodes<br />
biophysiques d’études des macromolécules<br />
combinées à l’utilisation de méthodes d’imagerie<br />
des cellules vivantes afin d’étudier les propriétés<br />
structurales et fonctionnelles des acteurs<br />
moléculaires des fonctions cellulaires.<br />
Etude, à l’échelle moléculaire, de la cinétique<br />
des interactions biochimiques.<br />
Le <strong>CEA</strong> est impliqué dans la structuration nationale<br />
et européenne des forces en biologie structurale<br />
intégrative. À Grenoble, l’Institut de biologie<br />
structurale (IBS) est membre <strong>du</strong> Partenariat pour<br />
la biologie structurale. Celui-ci rassemble autour<br />
<strong>du</strong> <strong>CEA</strong>, de l’ESRF (European Synchrotron Radiation<br />
Facility), de l’ILL (Institut Laue-Langevin) et de<br />
l’antenne française de l’EMBL (European Molecular<br />
Biology Laboratory), un pôle d’expertises et des<br />
installations de recherche faisant de Grenoble<br />
l’un des grands centres européens en la matière.<br />
En 2011, le <strong>CEA</strong> est devenu un acteur majeur<br />
de l’Infrastructure nationale Frisbi, regroupant<br />
cinq sites d’excellence français en biologie<br />
structurale intégrative. Il est également associé<br />
au Labex Gral dont l’objectif est de relier de<br />
façon intégrée les informations structurales<br />
et fonctionnelles concernant les mécanismes<br />
d’entrée des pathogènes et le chloroplaste.<br />
L’étude des macromolécules<br />
En 2011, l’Institut de biologie structurale<br />
(IBS) a diversifié ses moyens techniques<br />
en inaugurant un nouveau microscope<br />
électronique ultra stable à haute énergie.<br />
48 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Le <strong>CEA</strong> fait bénéficier le secteur de la santé des technologies<br />
innovantes maîtrisées en con<strong>du</strong>isant des <strong>programmes</strong> en matière<br />
d’imagerie et de recherche médicale, de génomique, de biologie<br />
à grande échelle ou d’ingénierie des protéines.<br />
Purification et caractérisation d’échantillons en absence d’oxygène.<br />
Deuxième microscope de ce type en France, il<br />
présente la particularité d’être entièrement dédié<br />
à la biologie. Il permet, d’une part de visualiser<br />
des complexes macromoléculaires biologiques à<br />
une échelle inférieure au nanomètre et d’obtenir<br />
leur structure tridimensionnelle ; d’autre part,<br />
de visualiser des objets biologiques uniques<br />
(mitochondries, virus irréguliers…) sous différents<br />
angles par cryo-tomographie électronique. Ce<br />
nouveau microscope vient en compléter deux<br />
autres de très haute performance installés à<br />
Minatec et dévolus à l’étude des matériaux et aux<br />
nanotechnologies. Depuis cette année également,<br />
la plateforme de caractérisation PAOL (Protein<br />
Analysis On Line) est accessible aux in<strong>du</strong>striels<br />
et laboratoires académiques. Elle permet de<br />
favoriser l’étude des systèmes complexes.<br />
Au-delà de la diversification des moyens<br />
techniques, les développements méthodologiques<br />
réalisés en 2011 ont permis d’élargir le champ<br />
des objets étudiables. Ainsi les chercheurs<br />
ont pu observer pour la première fois la partie<br />
désordonnée de la nucléoprotéine <strong>du</strong> virus de<br />
la rougeole dans un contexte physiologique et<br />
proposer un modèle intégral de la nucléocapside<br />
qui contient l’ARN <strong>du</strong> virus. Ces travaux suggèrent<br />
que cette partie désordonnée joue un rôle<br />
dans l’infection par le virus de la rougeole.<br />
D’autres chercheurs ont montré que si les<br />
protéines peuvent encore bouger à très basses<br />
températures, c’est grâce à leurs groupements<br />
méthyles. Par cette découverte, ils enrichissent<br />
les connaissances d’un domaine récent : la<br />
dynamique structurale des macromolécules,<br />
c’est-à-dire l’étude des mouvements de<br />
ces molécules indispensables pour assurer<br />
l’essentiel des fonctions de la cellule.<br />
Interactions entre macromolécules<br />
Ces développements méthodologiques ouvrent<br />
aussi la possibilité d’étudier les complexes<br />
formés par l’interaction de plusieurs protéines ou<br />
macromolécules. Ces complexes jouent un rôle<br />
essentiel dans beaucoup de processus biologiques.<br />
Ils ont cependant été relativement peu étudiés <strong>du</strong><br />
fait de leur faible stabilité et de l’impossibilité de<br />
les isoler dans des conditions physiologiquement<br />
pertinentes. En 2011, les chercheurs ont obtenu<br />
des informations importantes sur les complexes<br />
protéiques de faibles affinités, c’est-à-dire des<br />
complexes formés de protéines associées par<br />
l’intermédiaire d’interactions de faible intensité.<br />
D’autre part, ils ont décrypté la structure, en<br />
forme de cage, constituée par l’interaction entre<br />
deux molécules de la bactérie Escherichia Coli<br />
jouant un rôle essentiel dans sa résistance<br />
au stress. Enfin une nouvelle approche a été<br />
développée pour permettre l’étude structurale<br />
des complexes formés entre des protéines et<br />
des glycosaminoglycanes (GAGs). Ces derniers<br />
occupent une position stratégique pour participer<br />
à l’ensemble des processus intervenant au niveau<br />
des membranes cellulaires, et sont notamment<br />
impliqués dans l’infection par le virus <strong>du</strong> sida.<br />
Cellules souches germinales d’un embryon<br />
de souris.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 49
1 I D<br />
LES TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ ET<br />
LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ<br />
Analyse <strong>du</strong> métabolome par<br />
spectrométrie de masse.<br />
BIOLOGIE À GRANDE<br />
ÉCHELLE : GÉNOMIQUE,<br />
PROTÉOMIQUE,<br />
MÉTABOLOMIQUE<br />
Grâce aux avancées technologiques des dernières<br />
décennies, il est maintenant possible d’analyser<br />
de façon globale un système biologique ; on<br />
parle alors de biologie à grande échelle ou encore<br />
de génomique, transcriptomique, protéomique,<br />
métabolomique… Ces techniques permettent<br />
d’étudier l’ensemble des molécules biologiques,<br />
respectivement gènes, ARN, protéines,<br />
métabolites, d’une cellule, d’un tissu, d’un organe<br />
ou d’un organisme, à un moment donné et en<br />
fonction de conditions données. Elles renseignent<br />
notamment sur l’état physiologique ou<br />
pathologique considéré et permettent d’identifier<br />
des biomarqueurs utiles pour le diagnostic, le<br />
pronostic et le suivi thérapeutique. Le <strong>CEA</strong> a<br />
développé un savoir-faire reconnu dans ces<br />
différents domaines.<br />
Génomique<br />
Ainsi, en 2011, grâce à l’expertise de ses<br />
équipes, le <strong>CEA</strong> a été chargé de coordonner<br />
le projet France-Génomique retenu dans le<br />
cadre des infrastructures nationales. Ce projet,<br />
qui vise à intégrer à l’échelon national les<br />
capacités d’analyse à haut débit <strong>du</strong> génome et<br />
les traitements bioinformatiques des données<br />
ainsi générées, va permettre de renforcer la<br />
compétitivité des communautés nationales<br />
d’utilisateurs, chercheurs publics et in<strong>du</strong>striels, et<br />
d’attirer des projets internationaux d’envergure.<br />
Le <strong>CEA</strong> est également un acteur essentiel de<br />
l’infrastructure PROFI chargée de coordonner les<br />
recherches françaises en protéomique.<br />
De nombreuses études internationales visent<br />
à associer des variations génétiques à des<br />
situations pathologiques. En 2011, des<br />
chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> ont ainsi participé, d’une<br />
part, à l’identification d’une mutation génétique<br />
Centrifugeuse permettant la sédimentation<br />
des cellules au Laboratoire de génomique.<br />
responsable d’une prédisposition commune au<br />
mélanome (cancer de la peau) et au carcinome<br />
rénal (cancer <strong>du</strong> rein) et, d’autre part, à celle<br />
de cinq nouveaux facteurs de prédisposition<br />
génétique impliqués dans le développement de<br />
la maladie d’Alzheimer. Ces derniers résultats<br />
permettent d’élargir le nombre des hypothèses<br />
de recherche sur les causes de cette affection et<br />
d’identifier de nouvelles pistes de traitements<br />
curatifs, alors que les médicaments actuels n’ont<br />
que des effets symptomatiques.<br />
Métabolomique<br />
<strong>Les</strong> approches globales, comme notamment la<br />
métabolomique, permettent également d’établir<br />
des signatures de conditions physiologiques ou<br />
pathologiques de cellules ou d’organes. C’est<br />
le cas pour les globules rouges. <strong>Les</strong> chercheurs<br />
ont en effet mis en évidence la modification de<br />
plusieurs voies métaboliques chez les globules<br />
rouges de patients atteints de drépanocytose, une<br />
maladie génétique très fréquente et invalidante.<br />
Ces résultats présentent un intérêt pour le suivi<br />
de ces patients et soulignent l’apport de la<br />
métabolomique <strong>du</strong> globule rouge pour le suivi de<br />
maladies hématologiques et non hématologiques.<br />
Séquençage<br />
<strong>Les</strong> progrès réalisés dans le domaine <strong>du</strong><br />
séquençage de l’ADN permettent également<br />
aujourd’hui d’aborder des systèmes complexes,<br />
comme des populations bactériennes au sein<br />
d’échantillons biologiques ou environnementaux ;<br />
on parle de métagénomes. En 2011, dans le<br />
cadre d’un consortium, les chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
ont ainsi révélé la diversité métabolique des<br />
principaux micro-organismes présents dans un<br />
effluent résultant de l’exploitation d’une mine<br />
fortement contaminée par de l’arsenic. Ils ont<br />
construit un modèle intégré des interactions<br />
métaboliques qui peuvent être d’une importance<br />
capitale pour remédier naturellement aux<br />
50 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Dispositif de culture continue de micro-organismes au Genoscope.<br />
Enrichissement des échantillons portant des fragments d’ADN, avant dépôt sur le séquenceur.<br />
le développement de radiotraceurs ou d’agents<br />
de contraste spécifiques des phénomènes<br />
biologiques que l’on veut observer. En 2011,<br />
les chercheurs ont ainsi fabriqué des nanomicelles<br />
photopolymérisées dont l’intérêt est double.<br />
En effet, en plus d’une utilisation comme agent<br />
de contraste, ces nano-objets ont été utilisés<br />
avec succès pour la délivrance d’un traitement<br />
anti-cancéreux. Ces résultats précliniques<br />
prometteurs ont fait l’objet d’un dépôt de brevet<br />
et ouvrent de nouvelles perspectives vers la<br />
conception de nano-objets pouvant servir à la fois<br />
pour le diagnostic et le traitement des maladies.<br />
transformations in<strong>du</strong>ites par l’Homme sur ces<br />
écosystèmes. Toujours dans le domaine des<br />
sciences environnementales, le développement<br />
d’une méthodologie d’analyse protéomique à<br />
haut-débit a permis de caractériser une bactérie<br />
modèle dont l’habitat naturel est l’eau de mer et<br />
d’essayer de comprendre comment elle s’adapte<br />
à son environnement. <strong>Les</strong> résultats de cette<br />
étude suggèrent que moins de la moitié des<br />
gènes est utilisée pour ses mécanismes vitaux et<br />
d’adaptation au jour le jour. L’autre moitié de son<br />
capital génétique ne sert que dans des conditions<br />
environnementales très spécifiques.<br />
IMAGERIE BIOMÉDICALE<br />
<strong>Les</strong> techniques d’imagerie in vivo, développées au<br />
<strong>CEA</strong>, permettent, par des examens atraumatiques,<br />
de mener des recherches fondamentales sur<br />
le fonctionnement <strong>du</strong> cerveau, de fournir une<br />
aide au diagnostic et au pronostic et de suivre<br />
l’efficacité de traitements, dans le cadre d’études<br />
précliniques et cliniques. Elles occupent une place<br />
majeure dans les processus d’élaboration et de<br />
validation de nouvelles approches diagnostiques<br />
et thérapeutiques, pour les maladies qui<br />
représentent un véritable enjeu de santé publique<br />
telles que les maladies neurodégénératives, les<br />
cancers, les maladies émergentes, mais aussi<br />
psychiatriques. Pour mener ces recherches, le<br />
<strong>CEA</strong> s’appuie sur trois plateformes d’imagerie<br />
ouvertes à la communauté scientifique (Service<br />
hospitalier Frédéric Joliot – SHFJ, NeuroSpin<br />
et MIRCen), ainsi que sur la plateforme<br />
d’imagerie biomédicale Cycéron de Caen.<br />
Du diagnostic au traitement<br />
Un premier aspect des recherches menées au<br />
<strong>CEA</strong> concerne le développement de technologies<br />
plus performantes que celles actuellement à<br />
la disposition des hôpitaux. Le <strong>CEA</strong> s’est ainsi<br />
lancé dans un véritable challenge technologique,<br />
avec l’élaboration, à NeuroSpin, d’une IRM à haut<br />
champ, destinée aux recherches fondamentales<br />
sur le cerveau et à la recherche translationnelle.<br />
Ce projet d’aimant à 11,7 T, dont la conception<br />
détaillée a été finalisée en 2011 est maintenant<br />
entré en phase de pro<strong>du</strong>ction et devrait s’achever<br />
en 2013. L’imagerie biomédicale nécessite aussi<br />
Reconstitution de la capside virale<br />
de la rougeole, à partir de données<br />
de microscopie électronique (fond),<br />
de diffusion de rayons X (mur gauche)<br />
et de résonance magnétique<br />
nucléaire (spectres au sol).<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 51
1 I D<br />
LES TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ ET<br />
LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ<br />
Imagerie cérébrale d’un patient Alzheimer.<br />
Examen par IRM 7 T.<br />
En 2011, le <strong>CEA</strong> a également développé plusieurs<br />
outils et méthodes d’imagerie médicale qui vont<br />
permettre de diagnostiquer plus précocement les<br />
maladies neurodégénératives et d’élaborer des<br />
stratégies innovantes pour les traiter. Ainsi en<br />
combinant l’IRM à haut champ (3 T et 7 T) à une<br />
nanoparticule d’oxyde de fer, agent de contraste<br />
développé par la société Guerbet, il devient<br />
possible de mieux délimiter les noyaux profonds<br />
<strong>du</strong> cerveau, notamment le subthalamique. Il s’agit<br />
d’un prérequis indispensable pour améliorer la<br />
neurochirurgie de la maladie de Parkinson et<br />
des troubles obsessionnels compulsifs. Dans le<br />
même esprit, une autre équipe vient de montrer<br />
l’intérêt de l’IRM 7 T pour la détection des lésions<br />
microscopiques des vaisseaux, lésions subtiles et<br />
difficilement détectables en IRM à 3 T. De telles<br />
lésions apparaissent chez les patients atteints de<br />
Cadasil, une maladie génétique rare, de diabète ou<br />
d’hypertension artérielle, mais également au cours<br />
<strong>du</strong> vieillissement. D’autres équipes s’appliquent<br />
à définir de nouveaux protocoles d’imagerie par<br />
Tomographie par émission de positons (TEP). Elles<br />
ont, d’une part, élaboré une méthode permettant<br />
de détecter les lésions de la myéline dans la<br />
sclérose en plaque, une maladie chronique qui<br />
touche en France plus de 80 000 personnes.<br />
Elles ont, d’autre part, montré que l’imagerie TEP<br />
des dépôts amyloïdes, des agrégats de protéines<br />
insolubles, est similaire entre les malades ayant<br />
une forme typique de maladie d’Alzheimer et ceux<br />
ayant une forme rare particulièrement difficile à<br />
diagnostiquer, l’atrophie corticale postérieure.<br />
Organisation cérébrale <strong>du</strong> langage<br />
Dans le domaine des recherches fondamentales<br />
sur le cerveau et ses maladies, l’apport de<br />
l’imagerie médicale s’est tra<strong>du</strong>it en 2011 par<br />
des avancées majeures dans la connaissance<br />
de l’organisation cérébrale <strong>du</strong> langage. <strong>Les</strong><br />
chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> ont ainsi précisé le rôle<br />
de l’hémisphère droit dans le langage par<br />
rapport à celui prédominant de l’hémisphère<br />
gauche. De même, la perception de la structure<br />
hiérarchique des phrases par le cerveau a été<br />
mise en évidence ; certaines aires décryptent le<br />
sens de la phrase alors que d’autres se basent<br />
uniquement sur sa structure. <strong>Les</strong> chercheurs<br />
ont également montré pour la première fois<br />
qu’il existe chez le microcèbe murin, un primate<br />
non-humain, une relation entre atrophie cérébrale<br />
et altérations cognitives liées au vieillissement<br />
cérébral spontané. Avec ce modèle représentatif<br />
de ce qui se passe chez l’homme, les chercheurs<br />
vont pouvoir évaluer des thérapies ciblant<br />
les pathologies cérébrales liées à l’âge.<br />
Maladie d’Alzheimer<br />
<strong>Les</strong> compétences <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> en matière d’imagerie<br />
biomédicale sont également reconnues par les<br />
in<strong>du</strong>striels. Cette reconnaissance s’est concrétisée<br />
en 2011 par la signature d’un partenariat publicprivé<br />
d’envergure, dans le cadre <strong>du</strong> plan Alzheimer<br />
2008-2012, entre le <strong>CEA</strong>, l’Institut Pasteur, le<br />
CNRS et l’Institut Roche de recherche et médecine<br />
translationnelle afin de développer de nouveaux<br />
outils pour le diagnostic précoce de cette maladie.<br />
Le <strong>CEA</strong> est également impliqué dans le projet<br />
EU-AIMS, une étude informatique multicentrique<br />
Augmentation d’activation cérébrale en réponse à des phrases écrites.<br />
52 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Laboratoire de chimie bio-organique, de recherche sur les molécules d’intêret biologique, futurs médicaments et outils de diagnostic médical.<br />
sur l’autisme et la maladie d’Alzheimer, qui a été<br />
retenu par le partenariat public/privé européen<br />
IMI (Innovative medecine initiative) pour le<br />
développement d’une médecine plus sûre et<br />
efficace. Enfin, la Fondation de coopération<br />
scientifique <strong>du</strong> Campus Paris-Saclay a pris la<br />
décision de rassembler, au sein d’un Institut<br />
des neurosciences, l’ensemble des équipes<br />
<strong>du</strong> <strong>CEA</strong>, <strong>du</strong> CNRS et de l’Université Paris 11<br />
spécialistes de ce domaine en pleine évolution.<br />
Imagerie moléculaire<br />
Des chercheurs de l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac) ont élaboré de<br />
nouveaux traceurs de fluorescence à base de nanocristaux pour l’imagerie<br />
moléculaire, ainsi que des agents de contraste pour l’IRM grâce à des<br />
complexes <strong>du</strong> gadolinium. Une nouvelle sonde bimodale à fluorescence – RMN<br />
pour l’imagerie biologique a été validée par les premiers tests.<br />
Prostafluo : imagerie moléculaire optique/<br />
ultrasons pour le cancer de la prostate<br />
Le diagnostic <strong>du</strong> cancer de la prostate est établi<br />
suite à l’étude histologique de biopsies. Celles-ci<br />
sont prescrites en fonction de signes cliniques<br />
<strong>du</strong> patient et de dosages élevés de PSA. <strong>Les</strong><br />
prélèvements des biopsies sont guidés par<br />
l’échographie qui permet de se positionner dans<br />
la prostate, mais est pauvre en information sur les<br />
zones potentiellement cancéreuses. <strong>Les</strong> biopsies<br />
sont réalisées par voie endorectale en explorant<br />
l’ensemble <strong>du</strong> volume de la prostate, de manière<br />
randomisée. L’amélioration <strong>du</strong> rendement passe<br />
aujourd’hui par une augmentation <strong>du</strong> nombre de<br />
prélèvements pouvant entraîner une morbidité<br />
supérieure. Dans le cadre <strong>du</strong> projet ANR Tecsan,<br />
le Laboratoire d’électroniqhe et de technologies<br />
de l’information (Leti) a développé et validé les<br />
performances d’une nouvelle sonde d’imagerie bimodale<br />
ultrasons et optique qui combine l’imagerie<br />
optique de fluorescence et ultrasonore pour<br />
guider les biopsies vers les zones potentiellement<br />
cancéreuses et ainsi en limiter le nombre.<br />
La validation des performances de détection<br />
optique de cette sonde, réalisée sur fantôme, a<br />
montré une parfaite compatibilité avec le guidage<br />
de biopsie (profondeur 25 mm, précision 1,5 mm).<br />
Associée à un algorithme de recalage des images,<br />
la sonde fournit une co-localisation de la zone<br />
fluorescente et de l’informatique morphologique<br />
par ultra-sons. À terme les perspectives<br />
envisagées concernent l’évaluation de marqueurs<br />
pour la prostate et la mise en œuvre clinique<br />
de la sonde bi-modale dans le cadre de la<br />
plateforme Optic Clinic <strong>du</strong> CHU de Grenoble.<br />
NOUVELLES STRATÉGIES<br />
DIAGNOSTIQUES ET<br />
THÉRAPEUTIQUES<br />
Le <strong>CEA</strong> dispose d’un ensemble de compétences<br />
pluridisciplinaires qui lui permet de faire le pont<br />
entre les résultats de sa recherche fondamentale<br />
et une recherche plus applicative, en vue<br />
d’élaborer et de valider des nouvelles stratégies<br />
diagnostiques et thérapeutiques ou de développer<br />
des tests de diagnostic plus efficaces pour aider<br />
les médecins à orienter leurs choix thérapeutiques<br />
et à suivre l’efficacité des traitements. Ces<br />
recherches ouvrent la voie à la médecine<br />
personnalisée.<br />
Comprendre la pathogénèse<br />
Une partie des recherches <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> est consacrée à<br />
la compréhension des mécanismes responsables<br />
de la pathogenèse. Pour cela disposer de modèles<br />
animaux représentatifs des pathologies humaines<br />
est essentiel. En 2011, les chercheurs ont<br />
notamment mis au point, chez la souris, un modèle<br />
de greffe repro<strong>du</strong>isant les leucémies développées<br />
par les patients en rechute. <strong>Les</strong> leucémies aigües<br />
lymphoblastiques <strong>du</strong> lignage T sont des cancers<br />
<strong>du</strong> sang qui peuvent être majoritairement traités<br />
efficacement. Cependant dans 20 à 50 % des<br />
cas, une rechute de la leucémie particulièrement<br />
résistante aux traitements peut se pro<strong>du</strong>ire. Avec<br />
ce nouveau modèle, les chercheurs disposent<br />
désormais d’un outil précieux pour tester de<br />
nouvelles molécules capables de contourner cette<br />
résistance. Dans une autre étude visant à mieux<br />
Service d’immuno-virologie.<br />
comprendre les mécanismes de l’infection par le<br />
virus <strong>du</strong> sida, les chercheurs se sont appuyés sur<br />
la connaissance <strong>du</strong> singe Mandrill, qui est l’hôte<br />
naturel de deux virus cousins de celui qui in<strong>du</strong>it<br />
le sida, mais qui ne développe pas la maladie. Une<br />
analyse détaillée des mécanismes immunitaires<br />
associés à l’infection chez ce primate a confirmé<br />
que l’absence d’activation chronique <strong>du</strong> système<br />
immunitaire protège de la maladie.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 53
1 I D<br />
LES TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ ET<br />
LES RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
TECHNOLOGIES POUR LA SANTÉ<br />
Préparation d’échantillons.<br />
<strong>Les</strong> connaissances acquises sur les mécanismes<br />
moléculaires liés aux phénomènes pathologiques<br />
permettent également aux chercheurs <strong>du</strong> <strong>CEA</strong><br />
de découvrir ou d’élaborer de nouvelles pistes<br />
thérapeutiques. En 2011, les chercheurs ont<br />
participé à une étude qui a permis pour la<br />
première fois de pro<strong>du</strong>ire chez l’animal des<br />
anticorps neutralisants à large spectre contre le<br />
virus de l’hépatite C, en utilisant des « pseudoparticules<br />
» qui miment les particules virales<br />
mais ne se multiplient pas in vivo. Ces résultats<br />
ouvrent la voie à la mise au point d’un vaccin<br />
contre l’hépatite C et plus largement, vers une<br />
nouvelle technologie pour le développement de<br />
vaccins contre d’autres infections (VIH, dengue…).<br />
Dans le domaine <strong>du</strong> cancer, deux nouvelles pistes<br />
ont également été trouvées. <strong>Les</strong> chercheurs <strong>CEA</strong><br />
ont en effet montré que la molécule HLA-G peut<br />
être un obstacle à l’efficacité thérapeutique des<br />
lymphocytes T gamma delta, des cellules connues<br />
pour leur capacité à tuer les cellules tumorales<br />
et actuellement testées dans de nombreux<br />
essais cliniques. Ces résultats ouvrent la voie<br />
à l’optimisation des traitements basés sur les<br />
propriétés anti-tumorales de ces cellules. D’autres<br />
chercheurs ont identifié un nouveau mode<br />
d’action de l’ellipticine, une molécule connue pour<br />
ses propriétés anticancéreuses. Ils ont sélectionné<br />
des dérivés de cette molécule capables de cibler<br />
spécifiquement une protéine essentielle pour<br />
le contrôle de la prolifération des cellules, la<br />
protéine CK2, et ont mis en évidence le potentiel<br />
antitumoral de ces dérivés.<br />
Cellules dendritiques de la peau, marquées<br />
en rouge ou en vert.<br />
Biotechnologies<br />
<strong>Les</strong> compétences <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> en matière de<br />
biotechnologies ont également été mises à<br />
profit pour élaborer des molécules bioactives<br />
plus efficaces et mieux adaptées. Ainsi, une<br />
nouvelle méthode, appelée Immuno’line TM a<br />
été développée pour évaluer l’immunogénicité<br />
des anticorps thérapeutiques, c’est-à-dire leur<br />
capacité à in<strong>du</strong>ire une réponse immunitaire non<br />
désirée. Elle va permettre de séparer les bons<br />
des mauvais candidats anticorps thérapeutiques<br />
dès le début de leur processus de conception.<br />
Par ailleurs le développement de médicaments<br />
ciblant le système nerveux central pose,<br />
entre autres, le problème <strong>du</strong> passage de la<br />
barrière hémato-encéphalique. Cette barrière<br />
restreint la pénétration cérébrale de nombreux<br />
médicaments. Elle est la cause d’échecs de<br />
candidats médicaments lors des essais cliniques.<br />
<strong>Les</strong> chercheurs ont validé, avec le groupe<br />
pharmaceutique Abbott/Laboratoires Fournier,<br />
une nouvelle stratégie pour l’évaluation précoce<br />
de ce type de médicaments, offrant ainsi une aide<br />
précieuse pour l’in<strong>du</strong>strie pharmaceutique.<br />
Vue au microscope d’un lymphocyte T (rouge)<br />
reconnaissant une cellule tumorale (bleue).<br />
54 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Lymphocyte T entouré d’hématies.<br />
Mesures d’activités biologiques<br />
Un développement instrumental est réalisé à l’Inac pour la mesure d’interactions biologiques<br />
ou la reconnaissance moléculaire, via des puces à ADN, à sucres ou à protéines, basées sur la<br />
résonance plasmonique. <strong>Les</strong> perspectives sont les suivantes :<br />
- Des progrès de miniaturisation des analyses ont permis d’étudier des lymphocytes indivi<strong>du</strong>els<br />
et leur sécrétion en temps réel. Ces outils sont valorisés par la start-up Genoptics et dans le<br />
cadre <strong>du</strong> programme transversal NRBC.<br />
- D’autres applications concernent la manipulation d’objets complexes, en particulier le relargage<br />
contrôlé d’espèces cellulaires ou la détection précoce de bactéries.<br />
- Une nouvelle technologie de puces a été développée pour quantifier la réparation de l’ADN dans<br />
des extraits cellulaires.<br />
Magnétocardiographie par capteurs à GMR (magnétorésistance géante)<br />
Habituellement mesurée par électrocardiographie, l’activité cardiaque peut également être suivie<br />
par magnétocardiographie. L’ultra-sensibilité des nouveaux capteurs magnétiques réalisés à<br />
l’Institut rayonnement matière de Saclay (Iramis) contribue à faire émerger cette technique sans<br />
contact, ne nécessitant pas la pose d’électrodes, et permettant une imagerie dynamique <strong>du</strong> cycle<br />
cardiaque.<br />
Sous forme cristallisée, la protéine reste active et<br />
la structure de son site actif peut être étudiée.<br />
Equipement et laboratoires d’excellence<br />
L’excellence scientifique <strong>du</strong> <strong>CEA</strong> dans le<br />
domaine de la recherche de nouvelles stratégies<br />
diagnostiques et thérapeutiques a été largement<br />
reconnue en 2011. L’équipement d’excellence<br />
Flowcytech porté par le <strong>CEA</strong> a été retenu dans<br />
le cadre des investissements d’avenir, avec pour<br />
objectif de développer une nouvelle méthode de<br />
cytométrie en flux permettant un phénotypage<br />
complexe des cellules de mammifères. Deux<br />
Labex ont également été retenus : le projet VRI,<br />
qui a pour ambition la création d’un centre et<br />
d’un réseau de recherche entièrement dédiés au<br />
développement de vaccins efficaces contre le sida<br />
et l’hépatite C ; et le Labex Lermit dont le but est<br />
de concevoir et réaliser des médicaments <strong>du</strong> futur<br />
pour le cancer, les maladies cardiovasculaires<br />
et les maladies infectieuses et <strong>du</strong> système<br />
immunitaire. Enfin, deux projets, BioVacSafe<br />
et Abirisk, ont été soutenus par le partenariat<br />
européen IMI. Ces projets ont pour objectif d’une<br />
part la recherche de nouveaux biomarqueurs<br />
des pathologies et d’autre part l’amélioration de<br />
la prise en compte de l’immunogénicité dans la<br />
conception des protéines <strong>du</strong> futur et la prise en<br />
charge des patients.<br />
Simulation pour la radiothérapie par photoactivation<br />
de nanoparticules<br />
Certaines tumeurs résistantes sont encore<br />
incurables avec les traitements actuels,<br />
notamment <strong>du</strong> fait de leur localisation, de leur<br />
accès délicat et de la radiosensibilité des tissus<br />
sains environnants. Parmi les voies de recherches<br />
menées aujourd’hui sur le traitement de ces<br />
cancers, la radiothérapie par photoactivation<br />
d’éléments lourds semble prometteuse. La<br />
radiothérapie conventionnelle a pour but de<br />
détruire les cellules tumorales tout en épargnant<br />
au maximum les tissus sains alentour. Dans<br />
l’optique d’augmenter ce différentiel, l’injection<br />
dans la tumeur d’éléments lourds, c’est-à-dire<br />
d’atomes ayant un numéro atomique élevé<br />
comme l’or, l’iode ou le gadolinium, vise à utiliser<br />
l’importante différence d’absorption des rayons X<br />
de basse énergie, équivalant à ceux utilisés en<br />
imagerie médicale, par rapport aux tissus sains<br />
non chargés. Des études récentes sur le petit<br />
animal ont montré une augmentation de la survie<br />
d’un facteur 4 lorsque l’on injectait dans la tumeur<br />
des nanoparticules d’or. Or cet effet n’est pas<br />
explicable par la simple augmentation de la dose<br />
macroscopique déposée dans la tumeur <strong>du</strong>e à la<br />
présence d’éléments lourds. Une thèse démarrée<br />
au laboratoire « modélisation et simulation des<br />
systèmes » <strong>du</strong> Laboratoire d’intégration de<br />
systèmes et de technologies (List) a pour but de<br />
tenter d’expliquer ces phénomènes par simulation<br />
Monte Carlo <strong>du</strong> dépôt de dose à l’échelle cellulaire.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 55
1E<br />
TRÈS GRANDES INFRASTRUCTURES<br />
DE RECHERCHE ET RECHERCHES<br />
FONDAMENTALES<br />
ASSOCIÉES<br />
Le <strong>CEA</strong> participe de manière active à la mise à jour<br />
de la feuille de route nationale des très grandes<br />
infrastructures (www.roadmaptgi.fr). Il participe<br />
au développement des futures Très grandes<br />
infrastructures de recherche (TGIR) et représente<br />
la France, souvent aux côtés d’organismes<br />
partenaires comme le CNRS, dans les instances<br />
de pilotage des TGIR.<br />
Avec le CNRS, il anime le Comité de coordination<br />
des Très grandes infrastructures de recherche<br />
<strong>CEA</strong>-CNRS, dont un des objectifs est de définir<br />
la position française dans les instances de pilotage<br />
internationales, dans tous les domaines (sources<br />
de lumière et de neutrons, accélérateurs d’ions,<br />
physique nucléaire et des hautes énergies,<br />
environnement et calcul intensif).<br />
Le <strong>CEA</strong> est un acteur reconnu mondialement dans<br />
la conception, la réalisation et l’exploitation des<br />
TGIR grâce à ses compétences technologiques très<br />
pointues : instrumentation spatiale, accélérateurs<br />
et détecteurs, cryotechnologie, faisceaux<br />
de très haute intensité et très grands aimants<br />
supracon<strong>du</strong>cteurs. Il participe pleinement à<br />
de nombreux projets mondiaux comme la source<br />
européenne de neutrons de spallation (ESS),<br />
la source de lumière de quatrième génération<br />
(X-Fel) et les accélérateurs d’ions (Fair).<br />
Genci, Prace : le calcul haute performance<br />
au service des scientifiques<br />
Le Très grand centre de calcul (TGCC) <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>,<br />
jouxtant le site de Bruyères-le-Châtel, accueille<br />
La Maison de la simulation<br />
la machine européenne de puissance pétaflopique<br />
acquise par Genci (Grand équipement national de<br />
calcul intensif), Curie, dans le cadre <strong>du</strong> partenariat<br />
européen Prace (Partenariat for Advanced<br />
Computing in Europe) et avec le soutien financier<br />
<strong>du</strong> Conseil général de l’Essonne. Ce supercalculateur<br />
unique en Europe, achevé début 2012, va<br />
permettre des avancées sans précédent dans<br />
tous les domaines de la recherche académique<br />
et in<strong>du</strong>strielle. Conçu par Bull et exploité par les<br />
équipes <strong>du</strong> TGCC, il est constitué de plusieurs<br />
L’année 2011 a vu la création et le démarrage effectif de la Maison de la simulation qui est un<br />
laboratoire commun <strong>du</strong> <strong>CEA</strong>, <strong>du</strong> CNRS, de l’INRIA et des Universités de Paris-Sud et Versailles,<br />
dont l’objectif est la recherche pluridisciplinaire autour <strong>du</strong> calcul intensif et de ses applications,<br />
participant ainsi à la valorisation scientifique des grands équipements de calcul, et notamment<br />
ceux installés au TGCC. La participation à deux demandes financées d’équipement d’excellence,<br />
le démarrage d’activités de recherche autour de quatre thèses, ainsi que la récente sélection<br />
en tant qu’un des six Prace Advanced Training Center ont contribué au succès de ce démarrage.<br />
56 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Participer<br />
à la conception,<br />
la réalisation<br />
et l’exploitation<br />
des TGIR.<br />
Quadrupôles<br />
de l’accélérateur<br />
linéaire Spiral2.<br />
milliers de serveurs composés de dizaines d’unités<br />
de calcul et reliés entre eux par des réseaux<br />
à très haut débit. Sa capacité a atteint 2 Pétaflops,<br />
en faisant la première machine européenne.<br />
Une simulation à très grande échelle d’une molécule<br />
impliquée dans la maladie d’Alzheimer a déjà été<br />
réalisée en décembre par le Laboratoire de chimie<br />
et physique quantiques de Toulouse. Curie contribue<br />
à la politique des TGIR pilotée par le ministère<br />
de l’Enseignement supérieur et de la Recherche.<br />
Technologie et simulation numérique<br />
Avec le soutien <strong>du</strong> programme transversal<br />
Nanoscience/nanosimulation, le code TB_Sim<br />
de l’Inac (Institut nanosciences et cryogénie)<br />
permet de caractériser les propriétés d’un<br />
transistor basé sur un nanofil de silicium.<br />
Ce code massivement parallèle peut profiter<br />
de l’architecture <strong>du</strong> supercalculateur Curie<br />
en s’exécutant sur plusieurs milliers de cœurs<br />
de calcul et plusieurs centaines de GPUs.<br />
LHC : une quête des constituants élémentaires<br />
de l’Univers<br />
Fin 2011, les résultats des recherches sur le boson<br />
de Higgs <strong>du</strong> modèle standard ont considérablement<br />
restreint le domaine de masse à l’intervalle allant<br />
de 115 GeV à 130 GeV. <strong>Les</strong> deux expériences Atlas<br />
et CMS ont observé un excès d’événements dans<br />
différents canaux de recherche <strong>du</strong> fameux boson.<br />
Une découverte pourrait intervenir dès 2012,<br />
marquant ainsi une étape importante dans l’histoire<br />
de la physique des particules et permettant d’établir<br />
une nouvelle feuille de route pour les deux futures<br />
décennies.<br />
Dans le domaine des collisions d’ions lourds,<br />
l’expérience Alice a achevé sa deuxième campagne<br />
de données en novembre 2011. L’analyse des<br />
résultats sur le plasma quark gluon se poursuit,<br />
ainsi que les discussions avec les théoriciens<br />
pour interpréter les résultats.<br />
Le collisionneur proton antiproton <strong>du</strong> Tevatron<br />
à Fermilab (USA) a été arrêté fin septembre 2011.<br />
Outre la recherche <strong>du</strong> Higgs, l’expérience D0<br />
a publié des résultats sur la section efficace<br />
de pro<strong>du</strong>ction <strong>du</strong> top, sa masse, les corrélations<br />
de spin, les asymétries avant-arrière. La finalisation<br />
des analyses se poursuivra en 2012. Toutes ses<br />
mesures de précisions sont des tests puissants<br />
<strong>du</strong> modèle standard de la physique des particules.<br />
T2K, Double Chooz : percer les mystères<br />
des neutrinos<br />
Concernant l’étude des neutrinos, les deux<br />
expériences T2K et Double Chooz ont annoncé<br />
en 2011 les premières mesures de l’angle<br />
de mélange, paramètre lié aux transformations<br />
des neutrinos entre leurs différentes natures.<br />
Ces résultats seront améliorés en 2012 grâce à<br />
une statistique supérieure.<br />
L’expérience Double Chooz a pro<strong>du</strong>it en fin 2011<br />
le rapport technique de conception de son<br />
deuxième détecteur. Sa réalisation en 2012<br />
va permettre d’améliorer la qualité de la mesure<br />
en diminuant les erreurs systématiques.<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 57
1 I E<br />
TRÈS GRANDES INFRASTRUCTURES DE RECHERCHE<br />
ET RECHERCHES FONDAMENTALES ASSOCIÉES<br />
Un des télescopes de Hess en Namibie.<br />
Euclid : à la recherche de la matière<br />
et de l’énergie noires<br />
Dédiée principalement à la question <strong>du</strong> contenu<br />
énergétique de l’Univers, la mission Euclid a été<br />
sélectionnée en 2011 par l’ESA. Son objectif est<br />
de cartographier la matière noire à différents âges<br />
de l’Univers jusqu’à une profondeur de 10 milliards<br />
d’années, couvrant ainsi la période où l’expansion<br />
de l’Univers a commencé à s’accélérer. L’Irfu (Institut<br />
de recherches sur les lois fondamentales de<br />
l’Univers) est très fortement impliqué dans Euclid,<br />
en occupant trois postes clefs au niveau <strong>du</strong><br />
consortium, en fournissant des parties critiques<br />
de l’instrument, et en étant co-responsable<br />
des simulations numériques cosmologiques<br />
et <strong>du</strong> traitement de haut niveau des données.<br />
Hess et Cerenkov Telescope Array (CTA) :<br />
une détection indirecte de particules<br />
de matière noire<br />
Une manière d’étudier la matière noire consiste<br />
à tenter de détecter ses particules constitutives<br />
prévues par les modèles. Ces dernières<br />
s’annihileraient dans l’Univers en pro<strong>du</strong>isant<br />
des photons de haute énergie, susceptibles<br />
d’être détectés par le télescope Hess, ou demain<br />
par son successeur, CTA.<br />
Le cinquième télescope de Hess en Namibie<br />
L’expérience Hess poursuit sa moisson de résultats,<br />
avec notamment une publication sur la recherche<br />
indirecte de matière noire. Elle deviendra Hess2<br />
avec l’installation d’un cinquième télescope en<br />
Namibie, prévue à l’été 2012. Quant au réseau<br />
de télescopes <strong>du</strong> projet CTA, il est entré en phase<br />
préparatoire ESFRI. <strong>Les</strong> activités techniques<br />
de l’Irfu concernent la conception <strong>du</strong> détecteur,<br />
l’électronique frontale, la structure des télescopes<br />
et les miroirs.<br />
Herschel ou la naissance des étoiles<br />
Grâce à la qualité sans égale de ses images<br />
submillimétriques, le télescope spatial Herschel<br />
a révolutionné notre compréhension de la naissance<br />
des étoiles et de l’évolution des galaxies.<br />
Solar Orbiter<br />
Concernant l’étude <strong>du</strong> Soleil, la mission Solar<br />
Orbiter, dont le télescope comportera un imageur X<br />
à base de mo<strong>du</strong>les Caliste développés par l’Irfu,<br />
a été sélectionnée par l’ESA. La mission Solar<br />
Orbiter va obtenir l’image la plus proche possible<br />
<strong>du</strong> Soleil, s’approchant de notre étoile jusqu’à<br />
seulement 62 fois son rayon (soit moins<br />
de 45 millions de kilomètres).<br />
Spiral2, IFMIF, X-Fel, Iseult :<br />
accélérateurs et cryomagnétisme<br />
Plusieurs grands projets d’accélérateurs pour les<br />
besoins de la physique de l’Irfu, ou pour d’autres<br />
communautés de physique, sont en cours.<br />
Spiral2 et IFMIF ont connu des avancées<br />
importantes sur les dispositifs injecteurs. L’année<br />
2012 sera dédiée aux tests finaux de l’injecteur<br />
complet. L’accélérateur européen X-Fel pro<strong>du</strong>ira<br />
des impulsions lumineuses très intenses et<br />
extrêmement brèves, permettant de cartographier<br />
la matière à l’échelle atomique. L’Irfu est<br />
responsable de l’intégration de près de cent<br />
cryomo<strong>du</strong>les constituant l’accélérateur.<br />
Ce programme est monté en puissance tout<br />
au long de l’année 2011, avec un travail<br />
préparatoire intense qui a permis de commencer<br />
Traces des particules issues de la collision<br />
de deux protons et visualisées dans le plan<br />
transverse <strong>du</strong> détecteur Atlas.<br />
à tester l’intégration de deux cryomo<strong>du</strong>les, avant<br />
le démarrage de la phase in<strong>du</strong>strielle. L’Irfu a<br />
également mis son expertise en matière d’aimant<br />
supracon<strong>du</strong>cteur au service des sciences <strong>du</strong> vivant.<br />
L’aimant Iseult de 11,75 T (corps entier), qui devrait<br />
être installé à NeuroSpin en 2013, repoussera<br />
les limites de l’imagerie IRM cérébrale. Un prototype<br />
de l’aimant, réalisé à partir <strong>du</strong> con<strong>du</strong>cteur d’Iseult,<br />
a été testé avec succès en janvier 2012.<br />
La fabrication des bobines <strong>du</strong> solénoïde principal<br />
a démarré sur le site d’Alstom à Belfort et devrait<br />
être achevée fin 2012.<br />
Ganil<br />
Pour la 1 e fois, une forme rare de radioactivité,<br />
dite à deux protons, a pu être observée en trois<br />
dimensions.<br />
La jouvence de Spiral1 a permis de pro<strong>du</strong>ire<br />
de nouveaux isotopes radioactifs d’éléments<br />
métalliques grâce à la nouvelle source Febiad.<br />
Le spectromètre Vamos a vu sa résolution<br />
améliorée. Un faisceau d’ions stables a été pro<strong>du</strong>it<br />
au Ganil pour la première fois, non pas par<br />
résonance cyclotronique électronique (ECR),<br />
mais par photo-ionisation résonante obtenue grâce<br />
à des lasers. Cette technique très sélective fournira<br />
des faisceaux de grande pureté pour près<br />
de la moitié des ions radioactifs de Spiral2.<br />
La ligne de moyenne énergie <strong>du</strong> Ganil (Irrsud) est<br />
désormais dotée d’un système d’analyse en ligne,<br />
Alix. Ce diffratomètre à rayons X permet de suivre<br />
en continu l’évolution des matériaux sous<br />
irradiation. En 2011, le Ganil a délivré des ions<br />
lourds pendant 25 semaines, soit 4 000 heures,<br />
pour 46 expériences, répartis en 36 faisceaux<br />
stables et 4 faisceaux radioactifs (de haute énergie)<br />
et 13 faisceaux de moyenne énergie.<br />
Spiral2<br />
En ce qui concerne le chantier de Spiral2, la phase<br />
d’excavation s’est terminée en mai et la cérémonie<br />
de la première pierre s’est tenue en octobre.<br />
<strong>Les</strong> premiers faisceaux <strong>du</strong> futur injecteur ont été<br />
obtenus à Saclay sur la ligne protons/deutons<br />
de basse énergie.<br />
58 / RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 /
Enceinte de cuve de l’installation Double Chooz.<br />
ESRF<br />
Le programme d’extension de l’ESRF a progressé<br />
avec notamment l’inauguration de la première ligne<br />
de lumière de nouvelle génération et le début<br />
de la construction de deux halls expérimentaux<br />
supplémentaires. Divers travaux sur l’accélérateur<br />
ont permis de maintenir l’ESRF à la première place<br />
mondiale en terme de brillance des faisceaux<br />
de rayons X. Enfin, un nouveau centre de calcul<br />
a été inauguré pour faire face au volume croissant<br />
des données à traiter, qui se rapproche désormais<br />
de celui des expériences au CERN.<br />
ILL<br />
<strong>Les</strong> études se poursuivent pour le changement<br />
de type de combustible <strong>du</strong> réacteur à haut flux<br />
(passage de l’uranium fortement enrichi à<br />
de l’uranium faiblement enrichi). Le programme de<br />
modernisation se poursuit, avec quatre nouveaux<br />
instruments en construction. ILL a entamé une<br />
réflexion prospective pour les deux prochaines<br />
décades de façon à pérenniser sa position de leader<br />
mondial.<br />
Laboratoire Léon Brillouin (LLB)<br />
Le Laboratoire Léon Brillouin est un des signataires<br />
de l’accord franco-suédois adossé à ESS (source de<br />
neutrons à spallation : European Spallation Source)<br />
signé en 2011. Dans le cadre <strong>du</strong> programme<br />
Cap2015 associé, une jouvence des spectromètres<br />
<strong>du</strong> LLB sera entreprise. Deux exemples d’utilisation<br />
des neutrons :<br />
<strong>Les</strong> secrets d’une mousse <strong>du</strong>rable dévoilés par les<br />
neutrons. La diffusion de neutrons est une méthode<br />
efficace pour étudier la matière molle<br />
nanostructurée. <strong>Les</strong> chercheurs <strong>du</strong> LLB ont ainsi pu<br />
caractériser une mousse élaborée par chimie verte,<br />
qui s’avère stable pendant plusieurs mois et qui peut<br />
être rapidement déstabilisée en élevant sa<br />
température (> 60 °C). Ce résultat ouvre de nouvelles<br />
applications susceptibles d’intéresser les fabricants<br />
de cosmétiques ou de détergents.<br />
Nanocomposites renforcés : des systèmes<br />
modèles pour décrire le comportement mécanique<br />
des pneumatiques. Un moyen d’améliorer les<br />
propriétés mécaniques des matériaux plastiques<br />
est de les renforcer par des nanoparticules,<br />
en formant ainsi un matériau composite.<br />
Une étude structurale par diffusion de neutrons,<br />
couplée à des essais mécaniques, d’échantillons<br />
de polystyrène renforcés par des grains de silice<br />
montre l’amélioration des propriétés mécaniques<br />
de matériaux plastiques composites intégrant des<br />
nanoparticules. Cette étude modèle menée au LLB<br />
trouve de nombreuses applications, en particulier<br />
dans le domaine <strong>du</strong> pneumatique.<br />
Lasers<br />
L’Iramis dispose d’un laser de premier plan dans le<br />
domaine de la physique à ultra-haute intensité avec<br />
le laser UHI100 (100 térawatts). Il est partenaire<br />
de l’Equipex Cilex (Centre interdisciplinaire, lumière<br />
extrême), pour le développement d’un centre de<br />
recherche international, utilisant les installations<br />
lasers et expérimentales <strong>du</strong> plateau de Saclay et qui<br />
accueillera le futur laser Apollon (10 pétawatts).<br />
L’Iramis est aussi porteur <strong>du</strong> projet complémentaire<br />
d’Equipex Attolab, qui vise à créer un laboratoire<br />
d’étude de la dynamique ultrarapide, qui sera<br />
localisé auprès <strong>du</strong> futur laboratoire Cilex.<br />
Laboratoires d’excellence<br />
L’Irfu est engagé dans deux Labex sélectionnés<br />
lors de la première vague : UnivEarths (Terre –<br />
Planètes – Univers) qui comprend une partie<br />
des unités mixtes de recherche UMR, AIM et APC<br />
communes avec l’Université Paris-Diderot et P2IO<br />
(Physique des deux infinis et des origines)<br />
qui inclut l’essentiel de l’institut et réunit<br />
l’Irfu et des laboratoires <strong>du</strong> CNRS, de l’École<br />
polytechnique et de l’Université Paris-Sud 11.<br />
<strong>Les</strong> Très grandes infrastructures de recherche (TGIR)<br />
Sources de neutrons<br />
Orphée-Laboratoire Léon Brillouin (LLB) Saclay www-llb.cea.fr<br />
Institut Laue-Langevin (ILL) Infrastructure européenne à Grenoble www.ill.eu<br />
Sources de lumière<br />
Synchrotron Soleil St Aubin, près de Saclay www.synchrotron-soleil.fr<br />
ESRF Infrastructure européenne à Grenoble www.esrf.eu<br />
X-Fel Infrastructure européenne en construction à Hambourg (Allemagne) www.xfel.eu<br />
Physique nucléaire et des hautes énergies<br />
Ganil & Spiral 2 Caen www.ganil-spiral2.eu<br />
Cern/LHC Infrastructure mondiale près de Genève www.lhc-france.fr<br />
Fair Infrastructure européenne à Darmstadt (Allemagne) www.gsi.de/fair/index_e.html<br />
Environnement<br />
Icos Infrastructure européenne sous forme de réseau en cours de constitution www.icos-infrastructure.eu (voir p. 26)<br />
Calcul intensif<br />
Genci Grand équipement national de calcul intensif www.genci.fr<br />
Prace Infrastructure européenne de supercalculateurs www.Prace-ri.eu<br />
/ RAPPORT ANNUEL <strong>CEA</strong> 2011 / PARTIE 1 / 59