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II - PHYSIQUE DU NOYAU

Si la physique nucléaire a accordé une place importante à la fission atomique et à la physique des réacteurs nucléaires civils, ses domaines d'étude sont en réalité considérablement plus larges.

En effet, la physique nucléaire s'intéresse aussi aux constituants de la matière, au degré de cohésion des noyaux en fonction du nombre et de la nature de leurs constituants, au comportement de la matière dans des conditions extrêmes et enfin à l'origine des éléments dans l'Univers.

Plus que de physique nucléaire, il est donc logique de parler aujourd'hui de physique du noyau. C'est ce qui sera fait dans la suite.

Depuis son origine, la physique du noyau recourt à de grands équipements. La nomenclature actuelle des TGE retient le GANIL, Grand accélérateur national d'ions lourds de Caen, ainsi que les dépenses de démantèlement de l'ancien accélérateur d'ions lourds SATURNE.

Les dépenses correspondant aux grands équipements de la physique du noyau sont en diminution depuis 1990, tant en valeur absolue qu'en valeur relative.

Compte tenu de l'importance de la physique du noyau tant au plan de la recherche fondamentale que pour la résolution de questions importantes relatives à l'aval du cycle nucléaire, il est important d'examiner quels pourraient être les besoins d'investissement de la discipline dans les années à venir.

1. Les équipements lourds de la physique du noyau

Le GANIL n'est pas venu s'ajouter purement et simplement à un parc initial maintenu en fonctionnement.

Au contraire, alors que la première expérience du GANIL est intervenue en 1983, au cours des 15 années suivantes, de 1983 à 1997, la physique du noyau française a su fermer différentes installations considérées comme obsolètes, tels l'accélérateur linéaire d'électrons de Saclay (ALS), l'accélérateur d'ions lourds Alice d'Orsay, l'accélérateur national Saturne de Saclay, l'accélérateur Sara de l'Institut des sciences nucléaires de Grenoble, et redéployer vers la protonthérapie le synchrocyclotron d'Orsay.

Le GANIL se définit comme un laboratoire d'accueil et un outil pluridisciplinaire. Il comprend un ensemble d'accélérateurs (cyclotrons) fournissant des faisceaux d'ions lourds dans une très large gamme de masse et d'énergie. Il délivre également des faisceaux dits exotiques, c'est-à-dire essentiellement instables, de haute énergie.

Après que la décision de construction a été prise en 1975, la première expérience est intervenue en 1983. Le coût de la construction initiale s'est élevé à 641 millions de francs 1983, soit 938 millions de francs 1999. Le coût des modifications et compléments apportés entre 1983 et 1999 s'est élevé au total à 911 millions de francs 2000.

En 1999, le GANIL a fourni 5100 heures de faisceaux à haute énergie et 1700 heures à moyenne énergie. Il dispose d'équipements expérimentaux performants. Un nouvel ensemble de production et d'accélération de faisceaux exotiques appelé SPIRAL est en cours d'achèvement.

Les installations du GANIL sont utilisées par 600 utilisateurs extérieurs. La demande de temps de faisceau est au moins deux fois supérieure au temps de fonctionnement disponible.

Les installations comparables au GANIL sont en Europe le GSI de Darmstadt en Allemagne, une installation au demeurant plus complémentaire que concurrente, l'accélérateur d'ions lourds Dubna en Russie, MSU aux Etats-Unis et RIKEN au Japon.

2. Les TGE de la physique du noyau dans la nomenclature actuelle des TGE

Le démantèlement de SATURNE se traduit encore par une dépense d'une dizaine de millions de francs par an.

Tableau 4 : Evolution des dépenses annuelles relatives à Saturne 4

millions de francs

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

Saturne

(TGE scientifique)

dépenses

71

97

75

72

61

55

49

28

6

5

3

personnel

53

49

40

35

29

23

21

10

8

5

10

construction

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

total

124

148

115

107

90

78

70

38

14

10

13

Le GANIL est un GIE (Groupement d'intérêt économique) créé pour 30 ans par la Direction des sciences de la matière du CEA et l'IN2P3-CNRS.

Son budget proprement dit s'élève à 52 millions de francs, les personnels de ce GIE continuant d'être gérés par les membres du GIE. Les dépenses totales relatives au GANIL correspondent à 146 millions de francs en 2000.

Tableau 5 : Evolution des dépenses annuelles relatives au GANIL 5

millions de francs

dépenses

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

GANIL

(TGE scientifique)

personnel

65

108

64

71

79

90

93

95

97

98

93

exploitation

71

73

52

55

49

47

47

49

51

58

53

construction

 

 

 

6

17

21

18

19

10

 

 

total

136

181

116

132

145

158

158

163

158

156

146

Sur la période 1990-2000, les dépenses des TGE de la physique du noyau ont baissé en moyenne de près de 4 % par an.

Figure 3 : Evolution des dépenses annuelles dans les TGE de la Physique du noyau

Dans l'ensemble des dépenses relatives aux TGE scientifiques et technologiques, la physique du noyau ne représente plus que 3,5 % contre 9,1 % en début de période.

Figure 4 : Evolution des dépenses relatives aux TGE de la Physique du noyau par rapport aux dépenses totales des TGE S & T

3. Les besoins prévisibles

La question des besoins prévisibles de la physique du noyau peut s'envisager sous deux angles.

Le premier est celui d'une coopération européenne accrue qui pourrait se traduire par un élargissement des perspectives de recherche et par une diminution des coûts de fonctionnement du GANIL.

Le deuxième axe est celui d'une accélération des recherches et de l'approfondissement de leur intérêt pour différents types d'applications.

S'agissant de la coopération internationale, le GANIL développe à l'heure actuelle un programme de recherche et de développement commun avec la Belgique, les Pays-Bas et la Finlande, pour augmenter la gamme des faisceaux disponibles avec l'installation SPIRAL.

On peut penser que ce programme se traduisant par un partage des coûts de mise à disposition de GANIL, il ne devrait pas se traduire par une augmentation sensible des dépenses.

Par ailleurs, le GANIL participe en tant que coordonnateur au grand programme EURISOL, en collaboration avec tous les grands laboratoires européens, qui vise à définir un avant-projet de machine de 2ème génération tirant parti des premières années de fonctionnement de SPIRAL. Ces développements sont liés à la mise au point d'accélérateurs de très haute intensité.

Le futur de la physique du noyau est suffisamment brillant pour pousser à des efforts accrus, qui entraîneraient des dépenses supplémentaires même en cas de coopération internationale.

La production et l'étude des noyaux exotiques représentent l'un des points forts des recherches conduites au GANIL. Ces noyaux exotiques comportent des proportions de neutrons et de protons très différentes de celles caractérisant l'état stable, ce qui devrait permettre de mieux comprendre le noyau lui-même.

D'autres résultats porteurs d'avenir concernent la mise en évidence de noyaux à halos de neutrons, l'identification de nouvelles structures de noyaux, dont des formes de polymères avec des liaisons covalentes assurées par des neutrons en excès ou encore le domaine de la recherche des noyaux superlourds, liée à la création de nouvelles espèces chimiques de numéro atomique supérieur à celui de l'uranium, l'élément le plus lourd existant dans la nature.

Les études menées au GANIL permettent également de progresser dans la connaissance de la genèse des éléments dans l'Univers et voient leurs enseignements devenir de plus en plus utiles à l'astrophysique.

Mais la recherche fondamentale en physique du noyau est actuellement peu sollicitée pour résoudre l'épineuse question des déchets radioactifs de haute activité et de leur éventuelle transmutation. Or la rupture des noyaux des transuraniens et des produits de fission pourrait nécessiter de mieux comprendre leurs mécanismes de stabilisation.

Les perspectives de la physique du noyau sont donc prometteuses et même brillantes, tant au plan des résultats récemment obtenus qu'à celui des applications.

Des investissements complémentaires pourraient donc être à consentir à l'avenir.