N° 17 / JUILLET 2023 CHOCS AVANCÉES BILAN 2022 DES PUBLICATIONS ET DE LA VIE SCIENTIFIQUE DE LA DIRECTION DES APPLICATIONS MILITAIRES CEA www-dam.cea.fr N° 17 / JUILLET 2023 AVANCÉES EN COUVERTURE. Photographie d’un matériau de type dépôt de fil fondu réalisé par fabrication additive. Ce procédé ouvre de nouvelles perspectives pour l’impression en continu de matériaux alvéolaires, dont la géométrie complexe est irréalisable avec des technologies traditionnelles. La structure gyroïde imprimée ici permet d’obtenir de bonnes propriétés mécaniques, tout en réduisant la masse de l’objet. La distance entre les parois en forme de vague est de 7 millimètres. Bilan 2022 des publications et de la vie scientifique de la Direction des applications militaires Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives Directeur de la publication : Olivier Vacus Coordinateur scientifique : Christelle Barthet Comité scientifique : Nicolas Authier, Denis Autissier, Christelle Barthet, Philippe Belleville, Nathalie Blanchot, Daniel Bouche, Serge Bouquet, Gilles Bourgès, Corinne Canton-Desmeuzes, Xavier Carlotti, Hélène Hébert, Jean-Christophe Joly, Hervé Jourdren, Pierre-Henri Maire, Jean-Luc Miquel, David Riz, Éric Royer, Virginie Silvert, Stéphanie Thiébaut, Éric Van Renterghem Rédacteur en chef : Jean-Marc Laborie Création, réalisation et impression : EFIL / www.efil.fr Conformité : Régine Regnault Correction : Stylience / www.stylience.fr Diffusion et abonnement : Régis Vizet Photo de couverture : © CADAM AVANCÉES - CEA/DAM - Institut supérieur des études nucléaires de défense (ISENDé) - Bruyères-le-Châtel, F-91297 Arpajon Cedex - Tél. : 33 (0)1 69 26 76 98 - Email : [email protected] Brochure imprimée sur papier écogéré - ISSN 1961-7399 - Dépôt légal à parution. La revue est consultable sur www-dam.cea.fr SOMMAIRE ÉDITORIAL - 02 VIE SCIENTIFIQUE - 04 INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE, PHYSIQUE DES PLASMAS - 10 - L’intelligence artificielle en zone de turbulence (S. Thévenin, N. Valade, B.-J. Gréa, G. Kluth, O. Soulard) - 10 - Les protons pénètrent plus loin que prévu dans les plasmas denses et tièdes (W. Cayzac, V. Ospina-Bohorquez, X. Vaisseau, G. Faussurier, S. Malko, L. Volpe et al.) - 12 - Vers un modèle plus fiable d’absorption laser pour les plasmas (O. Poujade, R. Devriendt) - 14 - Briser le mur des orbitales : vers une description universelle de la matière (A. Blanchet, J. Clérouin, M. Torrent, F. Soubiran) - 16 - Laser Mégajoule : réalisation de la source de rayons X la plus énergétique en Europe (M. Primout, L. Jacquet, L. Lecherbourg, L. Videau, P.-É. Masson-Laborde, B. Villette, G. Legay, L. Le-Deroff) - 18 PHYSIQUE NUCLÉAIRE - 20 - Des modèles pour décrire la fission nucléaire (D. Regnier, N. Schunck) - 20 PHYSIQUE DES ACCÉLÉRATEURS - 22 - Du velours pour la radiographie éclair bi-impulsionnelle (R. Delaunay, C.-M. Alvinerie, T. D’Almeida, M. Ribière, R. Maisonny, B. Cadilhon, L. Courtois, I. Mousseau, B. Cassany, C. Vermare, J.-M. Plewa) - 22 MATÉRIAUX, PHYSIQUE DU SOLIDE - 24 - Vers une meilleure évaluation de la résistance d’une soudure (C. Cadet, S. Flouriot, V. De Rancourt, J. Besson, S. Forest, P. Kerfriden, L. Lacourt) - 24 - Des éclairs aux mousses métalliques pour le Laser Mégajoule (F. Durut, R. Botrel, J. Pinot, V. Vignal) - 26 - La projection à froid pour fabriquer des pièces complexes (S. Lett, A. Quet, E. Meillot, S. Hémery, J. Cormier, P. Villechaise) - 28 - Impact d’une bille sur un solide : rebond, adhésion ou désintégration ? (L. Soulard, O. Durand, T. Carrard) - 30 COMPOSANTS ET ÉQUIPEMENTS ÉLECTRONIQUES - 32 - Matériaux sous irradiation : prise en compte des dépôts de surface (D. Lambert, M. Raine, Q. Gibaru, C. Inguimbert) - 32 OPTIQUE ET OPTRONIQUE - 34 - Un refroidissement liquide pour améliorer la cadence des lasers de puissance (P.-M. Dalbiès, N. Blanchot, E. Bordenave, S. Cavaro, F. Le Palud, J.-F. Lupi, J. Neauport, G. Paquignon) - 34 SCIENCE DU CLIMAT ET DE L’ENVIRONNEMENT - 36 - Détection des essais nucléaires : vers une meilleure prise en compte des émissions industrielles (S. Generoso, P. Achim) - 36 - Simulation numérique de la dispersion de la Covid-19 dans un train (P. Armand, J. Tâche) - 38 - Quand un volcan fait vibrer l’atmosphère tout entière (C. Listowski, J. Vergoz, A. Le Pichon, H. Hébert, P. Heinrich, A. Gailler, A. Dupont, A. Podglajen, V. Rey) - 40 - À la recherche de l’étincelle initiale des éclairs (T. Farges, I. Kolmašová, O. Santolík, S. Soula, O. Bousquet, G. Diendorfer) - 42 CHIMIE - 44 - Réduction de la toxicité des matériaux de protection thermique (D. Brandt, N. Chaussoy, J.-F. Gérard) - 44 MATHÉMATIQUES, INFORMATIQUE SCIENTIFIQUE, LOGICIEL - 46 - Les polycubes, un nouvel outil pour aider à la simulation numérique (F. Ledoux, D. Sokolov, C. Bourcier) - 46 - Mieux simuler la dégradation d’un bouclier thermique (S. Peluchon, L. Tallois, P. Villedieu) - 48 - Transport en milieu aléatoire (J. Durand, S. Lemaire, M. A. Kowalski, C. Larmier, F. Madiot, A. Zoia) - 50 ÉDITO 2022, le retour à la normale des collaborations nationales et internationales Par Olivier VACUS, Directeur scientifique du CEA – DAM. On croit parfois que la Direction des applications militaires (DAM) du CEA est une entité autonome, qui poursuit des activités confidentielles dans un relatif isolement. Cette méprise tient sans doute au rôle exceptionnel qu’elle occupe au service de la défense et de la sécurité de la France. En se limitant à ses seules responsabilités de maîtrise d’ouvrage, la DAM conçoit, fabrique, met en service puis démantèle les têtes nucléaires françaises ; elle pilote la conception, le développement et la réalisation des chaufferies nucléaires des bâtiments de la Marine nationale ; elle est enfin chargée de l’approvisionnement des matières nucléaires stratégiques pour les besoins de la dissuasion. Comme l’ensemble de ces missions est réalisé dans un respect strict de la protection du secret de la défense nationale, et plus généralement de la protection des données potentiellement proliférantes, on pourrait en conclure que ses interactions avec les communautés nationales et internationales de recherche sont limitées. En réalité, il n’en est rien, l’expérience montre au contraire que ces interactions sont nombreuses et actives. Cet éditorial ne se prêtant pas à un inventaire exhaustif, je me contenterai ici de rappeler quelques collaborations emblématiques dans lesquelles la DAM s’est engagée ou a récemment encore renforcé son investissement... Dans le domaine du calcul haute performance (HPC), la DAM développe et met en œuvre des supercalculateurs en collaboration avec Atos-Bull (TGCC, projet Human Brain, Fenix). Pour les lasers de forte énergie, le Laser Mégajoule (LMJ) couplé à Petal met 25 % de son temps à disposition de la recherche académique via l'association lasers et plasmas (ALP), bénéficiant au Celia, au Luli et à des équipes internationales. La DAM salue également le succès historique d'ignition obtenu en décembre 2022 sur l'installation NIF aux États-Unis, renforçant les accords de coopération avec la NNSA (Livermore, Los Alamos, Sandia) et la création du programme d'échanges d'étudiants Éric-Bauge. Enfin, le projet européen Arise d'observation de la moyenne atmosphère par infrasons a valu à Élisabeth Blanc le prix Lamb de l’Académie des sciences. VIE SCIENTIFIQUE - Prix et distinctions 2022 : * Prix Lamb de l'Académie des sciences décerné à Élisabeth Blanc pour ses travaux sur le système de surveillance de l'Otice et l'infrastructure Arise. * Pierre-Henri Maire nommé Associate Editor du Journal of Computational Physics (JCP). * Saaxewer Diop récompensé par le prix Angus-Macleod à la conférence Optical Interference Coatings. * Théo Busier reçoit le prix Étudiant de l'Aeroballistic Range Association (ARA). * Thomas Bourdeau récompensé par l'Outstanding Student Poster Award au congrès UHTC V. * 6 Habilitations à diriger les recherches (HDR) soutenues : Alexandre Allemand, Sébastien Faure, Christophe Denoual, Jean-Bernard Maillet, Jean-Paul Ebran, Laurent Colombet. - Colloques et journées scientifiques 2022 : * Workshop Abinit (10e édition) en mai dans le Morbihan. * Colloque pour les 10 ans du Cenalt (Centre national d'alerte aux tsunamis). * Workshop AeroThermoDynamics & Design for Demise (ATD3) à Bordeaux avec HyFAR-ARA, Esa, Cnes. * Journée thématique sur la décomposition de domaine pour la résolution des équations de Maxwell. * Action Science au musée par Émeric Falize (Musée et parc Buffon de Montbard). * 2e journée technique du génie parasismique. * 7es journées Vélocimétrie hétérodyne à Gramat. * 5e édition des journées Matériaux numériques au Ripault. * Journée thématique sur la projection thermique au Ripault. * Journées 24h de l'impression 3D à Polytech Tours. * Workshop DAM-DES : calcul haute performance pour les matériaux à Cadarache. * 6e forum Métrologie DAM. - Faits marquants de l'année 2022 : * Millième tir de puissance au Laser Mégajoule (LMJ) le 21 novembre 2022. * Inauguration du supercalculateur Exa 1 le 13 septembre 2022 par le ministre des Armées Sébastien Lecornu. * Découverte théorique sur l'origine de la luminosité extrême des grands cataclysmes cosmiques (ondes de choc et accélération électronique). - Nouveaux accords de partenariats en 2022 : Projets ANR FemTraXS, Pacte-Espace, LiLi, Photonastic, GIS Lartisste, collaboration Monte-Carlo avec Paris-Dauphine, et lancement du LRC Xeres (interaction souffle-structure). - Statistiques et thèses/postdocs : * 172 doctorants préparaient une thèse, 63 thèses soutenues en 2022, 52 postdoctorats en cours. * 403 articles et comptes rendus dans des revues à comité de lecture, 29 chapitres/comptes rendus de conférences. INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE, PHYSIQUE DES PLASMAS L’intelligence artificielle en zone de turbulence Par S. Thévenin, N. Valade, B.-J. Gréa, G. Kluth, O. Soulard (CEA-DAM Île-de-France) Pour modéliser la turbulence dans les plasmas lors des expériences de fusion par confinement inertiel sur des lasers comme le Laser Mégajoule, les chercheurs ont développé un modèle interprétable basé sur l'apprentissage statistique et l'intelligence artificielle parcimonieuse. En s'appuyant sur le modèle de Perot & de Bruyn Kops (PBK) décrivant l'énergie cinétique turbulente K et la taille des tourbillons λ, ce nouveau formalisme capture précisément les variations rapides de viscosité (relaminarisation) tout en conservant un sens physique rigoureux et un coût de calcul réduit. INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE, PHYSIQUE DES PLASMAS Les protons pénètrent plus loin que prévu dans les plasmas denses et tièdes Par W. Cayzac, V. Ospina-Bohórquez, X. Vaisseau, G. Faussurier (CEA-DAM Île-de-France), S. Malko, L. Volpe (CLPU, Salamanque) et al. Une collaboration internationale a réalisé au CLPU en Espagne des mesures inédites de perte d'énergie de protons de basse vitesse (3% c) traversant une cible de carbone dense et tiède chauffée par laser femtoseconde. Les résultats montrent que les protons sont moins freinés que prévu par les modèles classiques, validant les prédictions avancées de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) dépendante du temps, ce qui a des répercussions majeures sur la physique de l'ignition en fusion par laser. INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE, PHYSIQUE DES PLASMAS Vers un modèle plus fiable d’absorption laser pour les plasmas Par O. Poujade, R. Devriendt (CEA-DAM Île-de-France) Pour remédier aux incertitudes sur le calcul de l'absorption du laser dans les cavités en or lors de la fusion en attaque indirecte, des simulations de dynamique moléculaire classique (SCDM) simulant des millions de particules ont permis de dériver un modèle paramétré à six constantes universel. Ce modèle reproduit fidèlement le chauffage par Bremsstrahlung inverse sur une large gamme de densités et de températures électroniques. INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE, PHYSIQUE DES PLASMAS Briser le mur des orbitales : vers une description universelle de la matière Par A. Blanchet, J. Clérouin, M. Torrent, F. Soubiran (CEA-DAM Île-de-France) Le calcul DFT conventionnel devient inaccessible à très haute température en raison de l'explosion du nombre d'orbitales électroniques nécessaires (« mur des orbitales »). La mise en œuvre de la méthode DFT étendue (Extended DFT) dans le code Abinit traite les orbitales de haute énergie par des ondes planes analytiques, permettant de simuler continûment la matière du solide froid jusqu'aux plasmas denses du domaine du gigabar (Gbar). INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE, PHYSIQUE DES PLASMAS Laser Mégajoule : réalisation de la source de rayons X la plus énergétique en Europe Par M. Primout, L. Jacquet, L. Lecherbourg, L. Videau, P.-É. Masson-Laborde, B. Villette, G. Legay, L. Le-Deroff (CEA-DAM) Lors d'une campagne expérimentale sur le LMJ utilisant 32 faisceaux (100 kJ), une source de rayons X puissante a été produite par irradiation d'une micro-cavité de xénon gazeux à 1 atm. Les simulations 3D avec le code de rayonnement-hydrodynamique Troll ont reproduit les mesures d'émission X avec une grande précision, confirmant un rendement de conversion supérieur à 50%. PHYSIQUE NUCLÉAIRE Des modèles pour décrire la fission nucléaire Par D. Regnier (CEA-DAM Île-de-France) et N. Schunck (LLNL) La description de la fission nucléaire nécessite des approches microscopiques de champ moyen quantique dépendant du temps. La collaboration entre le CEA-DAM et le Lawrence Livermore National Laboratory exploite de nouveaux algorithmes et l'intelligence artificielle pour générer des fonctions d'onde pertinentes, permettant de prédire les propriétés des fragments de fission (distributions de masse, spins intrinsèques et cinétique de scission). PHYSIQUE DES ACCÉLÉRATEURS Du velours pour la radiographie éclair bi-impulsionnelle Par R. Delaunay, C.-M. Alvinerie, T. D’Almeida, M. Ribière, R. Maisonny, B. Cadilhon, L. Courtois, I. Mousseau, B. Cassany, C. Vermare, J.-M. Plewa (CEA-DAM) Dans le cadre des futurs développements de l'installation Epure à Valduc, le mini-injecteur à induction Mi2 a testé la génération de deux impulsions d'électrons successives (700 kV, 2 kA, 80 ns) espacées de 2 µs émises par une cathode en velours. Les simulations électromagnétiques avec le code Large Scale Plasma confirment que l'augmentation de courant sur la seconde impulsion provient de l'expansion du plasma de surface réduisant l'espace anode-cathode. MATÉRIAUX, PHYSIQUE DU SOLIDE Vers une meilleure évaluation de la résistance d’une soudure Par C. Cadet, S. Flouriot, V. De Rancourt (CEA-DAM Valduc), J. Besson, S. Forest, P. Kerfriden, L. Lacourt (Mines Paris-PSL) L'étude numérique de la rupture ductile dans les soudures métalliques a porté sur des cellules comportant une population aléatoire de pores. Les simulations 3D mettent en évidence les mécanismes d'interaction entre cavités et la formation de bandes de localisation de déformation plastique en zigzag, expliquant la baisse de résistance mécanique sous différentes sollicitations triaxiales. MATÉRIAUX, PHYSIQUE DU SOLIDE Des éclairs aux mousses métalliques pour le Laser Mégajoule Par F. Durut, R. Botrel, J. Pinot (CEA-DAM Valduc) et V. Vignal (ICB / Université de Bourgogne) Un procédé breveté d'électrolyse par décharge plasma luminescente (CGDE) en solution aqueuse a permis de fabriquer des mousses métalliques ultra-légères (cuivre, or, alliages) de densité 0,02 g/cm³ (1% du massif). Ces nano-filaments formés lors des micro-claquages fournissent des cibles idéales de très faible densité pour les expériences d'interaction laser-matière sur le LMJ. MATÉRIAUX, PHYSIQUE DU SOLIDE La projection à froid pour fabriquer des pièces complexes Par S. Lett, A. Quet, E. Meillot (CEA-DAM Le Ripault), S. Hémery, J. Cormier, P. Villechaise (Institut Pprime) La fabrication additive par projection dynamique à froid (cold spray) de poudre de titane Ti-6Al-4V à vitesse supersonique permet de préserver l'état solide du matériau sans oxydation thermique. L'optimisation des paramètres d'impact a réduit la porosité à moins de 1% tout en induisant des contraintes compressives bénéfiques pour la tenue en fatigue. MATÉRIAUX, PHYSIQUE DU SOLIDE Impact d’une bille sur un solide : rebond, adhésion ou désintégration ? Par L. Soulard, O. Durand, T. Carrard (CEA-DAM Île-de-France) Des simulations de dynamique moléculaire massivement parallèles (1,32 milliard d'atomes d'étain sur supercalculateur via le code ExaStamp) ont permis d'élucider la transition entre les régimes d'impact : à moins de 1000 m/s l'adhésion prédomine via une fusion locale d'interface, tandis qu'au-delà s'amorce l'érosion par formation d'un jet annulaire fragmenté en gouttelettes. COMPOSANTS ET ÉQUIPEMENTS ÉLECTRONIQUES Matériaux sous irradiation : prise en compte des dépôts de surface Par D. Lambert, M. Raine, Q. Gibaru, C. Inguimbert (CEA-DAM / Onera) Le module de physique MicroElec couplé à Geant4 a été étendu aux très basses énergies (10 eV - 5 keV) pour 11 matériaux d'intérêt spatial et microélectronique. Cette approche couplée à des modèles analytiques permet de prédire le dépôt de dose d'ionisation dans les couches nanométriques de surface des satellites. OPTIQUE ET OPTRONIQUE Un refroidissement liquide pour améliorer la cadence des lasers de puissance Par P.-M. Dalbiès, N. Blanchot, E. Bordenave, S. Cavaro, F. Le Palud, J.-F. Lupi, J. Neauport, G. Paquignon (CEA-DAM Cesta) Dans le cadre du projet LEAP, un amplificateur laser à liquide caloporteur perfluoré (Galden®) a démontré sa capacité à fonctionner à une cadence d'un tir par minute avec une déformation de front d'onde inférieure à 200 nm, ouvrant la voie à des lasers de puissance à haute cadence pour la production d'énergie et la recherche. SCIENCE DU CLIMAT ET DE L’ENVIRONNEMENT Détection des essais nucléaires : vers une meilleure prise en compte des émissions industrielles Par S. Generoso, P. Achim (CEA-DAM Île-de-France) Pour discriminer les signaux d'essais nucléaires clandestins du bruit de fond causé par la production médicale d'isotopes (usine de l'IRE en Belgique), l'intégration en continu des données réelles du projet STAX dans les simulations de transport atmosphérique de Xénon-133 (133Xe) a permis de caler avec une grande fidélité les détections du Système de surveillance international (SSI/TICE). SCIENCE DU CLIMAT ET DE L’ENVIRONNEMENT Simulation numérique de la dispersion de la Covid-19 dans un train Par P. Armand (CEA-DAM Île-de-France) et J. Tâche (Fluidian) Des simulations thermo-aérauliques 3D d'un wagon de train avec le code Saturne ont caractérisé la dispersion des gouttelettes et aérosols émis par la toux et la respiration d'individus infectés. L'étude démontre l'efficacité primordiale du port ajusté du masque chirurgical et l'effet de la convection thermique. SCIENCE DU CLIMAT ET DE L’ENVIRONNEMENT Quand un volcan fait vibrer l’atmosphère tout entière Par C. Listowski, J. Vergoz, A. Le Pichon, H. Hébert, P. Heinrich, A. Gailler, A. Dupont (CEA-DAM), A. Podglajen (LMD), V. Rey (MIO) L'éruption paroxysmique du volcan Hunga Tonga-Hunga Ha'apai le 15 janvier 2022 a généré une onde de Lamb atmosphérique globale détectée sur tout le réseau de surveillance infrasonore du TICE ainsi que des météotsunamis jusque dans les ports de Méditerranée. L'énergie dégagée équivaut à environ 100 mégatonnes de TNT (7000 fois la bombe d'Hiroshima). SCIENCE DU CLIMAT ET DE L’ENVIRONNEMENT À la recherche de l’étincelle initiale des éclairs Par T. Farges (CEA-DAM), I. Kolmašová, O. Santolík, S. Soula, O. Bousquet, G. Diendorfer Des campagnes de mesures électromagnétiques et radar ont analysé les impulsions bipolaires de la décharge préliminaire initiant les éclairs au sein des nuages d'orage (cumulonimbus). Ces recherches aident à discriminer ces impulsions naturelles du flash électromagnétique issu d'explosions nucléaires atmosphériques. CHIMIE Réduction de la toxicité des matériaux de protection thermique Par D. Brandt, N. Chaussoy (CEA-DAM Le Ripault) et J.-F. Gérard (IMP / Insa Lyon) L'incorporation d'aminophénols (2-AP ou 4-AP) comme pièges chimiques dans les résines phénoliques pour composites ablatifs de rentrée atmosphérique a permis d'abaisser le formaldéhyde libre résiduel sous le seuil REACH de 0,1% tout en maintenant un rendement massique en carbone après pyrolyse supérieur à 60%. MATHÉMATIQUES, INFORMATIQUE SCIENTIFIQUE, LOGICIEL Les polycubes, un nouvel outil pour aider à la simulation numérique Par F. Ledoux (CEA-DAM), D. Sokolov (Univ. Lorraine) et C. Bourcier (CEA-DES) Pour automatiser et accélérer la génération de maillages hexaédriques structurés par blocs complexes nécessaires aux simulations du LMJ, les chercheurs ont développé une méthode basée sur les polycubes couplée à un algorithme génétique de labellisation robuste des surfaces (Evocube). MATHÉMATIQUES, INFORMATIQUE SCIENTIFIQUE, LOGICIEL Mieux simuler la dégradation d’un bouclier thermique Par S. Peluchon, L. Tallois (CEA-DAM Cesta) et P. Villedieu (Onera) Un schéma numérique de second ordre à interface diffuse avec limiteur compressif a été développé pour simuler les écoulements diphasiques liquide-gaz lors de la fusion et de l'ablation des boucliers thermiques en rentrée hypersonique, évitant l'étalement numérique non physique à l'interface. MATHÉMATIQUES, INFORMATIQUE SCIENTIFIQUE, LOGICIEL Transport en milieu aléatoire Par J. Durand, S. Lemaire (CEA-DAM), M. A. Kowalski, C. Larmier, F. Madiot, A. Zoia (CEA-DES) Dans le cadre du projet Géostoh, des algorithmes de calcul stochastique de référence sur le supercalculateur Exa 1 ont montré les limites du modèle Chord Length Sampling (CLS) classique lorsque le milieu comporte des gradients spatiaux hétérogènes de longueurs de cordes, initiant le projet de recherche Transparems. N° 17 / JUILLET 2023 - CHOCS AVANCÉES BILAN 2022 DES PUBLICATIONS ET DE LA VIE SCIENTIFIQUE DE LA DIRECTION DES APPLICATIONS MILITAIRES À PARAÎTRE : REVUE CHOCS N° 53 - Électronique CEA - Direction des applications militaires www-dam.cea.fr