Le programme de simulations des essais nucléaires

 

Mis en place avant l’interdiction totale des essais nucléaires, le système de simulations français est présenté officiellement comme devant permettre la mise au point des têtes nucléaires du futur. Il a été ensuite présenté comme permettant d’assurer la sûreté et la fiabilité des stocks d’armes nucléaires.

L’Observatoire des armes nucléaires françaises estime que le système de simulation, et notamment le laser Mégajoule, violent les traités d’interdiction des essais et de non-prolifération en ce sens qu’il oriente les recherches militaires vers la conception d’armes nucléaires à fusion pure.

L’Observatoire des armes nucléaires françaises souligne que le système de simulations mis en place par le CEA comporte d’autres éléments - la machine d’irradiation AIRIX et des super-calculateurs - destinés à la mise au point des armes nucléaires du futur.

L’Observatoire des armes nucléaires françaises constate l’étroite collaboration entre les programmes de simulations français et américains. Ce fait est largement connu pour le laser Mégajoule, mais il est avéré tant pour le programme Airix que pour l’acquisition des super calculateurs.

L’Observatoire des armes nucléaires françaises constate que le le coût de l’ensemble du programme de simulations n’a pas été annoncé clairement. Tous les chiffrages publiés concernent la période 1994-2002, soit un montant total de plus de 13 milliards de francs. Or, le calendrier du programme montre que les principaux investissements devront être réalisés, notamment pour le Mégajoule, à partir de 2002, date à laquelle on devrait passer de la Ligne d’Intégration Laser (8 faisceaux) au LMJ lui-même (240 faisceaux).

Le programme de simulation des essais nucléaires français a été présenté pour la première fois dans un rapport parlementaire du 15 décembre 1993 sous le nom de " Préparation à la limitation des essais nucléaires " ou PALEN.

Un programme qui relance la prolifération nucléaire

Simulations, laser Mégajoule et essais nucléaires

Le principal problème lié au programme de simulations est qu’il a été conçu avant la ratification par la France du traité d’interdiction des essais (26 septembre 1996). Ce programme était prévu pour prévenir la " limitation " et non l’ " interdiction totale " des essais nucléaires. En fait, il s’agissait, pour la France, d’améliorer des technologies déjà en service pendant la période des essais, c’est à dire l’examen radiographique des phénomènes de compression des explosifs chimiques contenus dans la bombe lors des tirs " froids ", la puissance de calcul des ordinateurs et l’étude des réactions deutérium-tritium par un système laser.

L’interdiction de recourir aux essais " grandeur nature " a obligé la Direction des Applications Militaires du CEA à présenter autrement ce programme de simulations. A partir de 1996, ce programme est officiellement destiné à vérifier la sûreté et la fiabilité des stocks d’armes nucléaires et à vérifier, en laboratoire, la validité des futures têtes nucléaires dont les concepts auraient été mis au point lors de la dernière campagne d’essais décidée par Jacques Chirac en 1995-1996.

Avec l’avancement du programme, le discours sur la finalité des simulations varie notablement avec celui de 1996. Dans un premier temps, on annonce que la mise en service progressive du laser Mégajoule correspondra à la mise en service des armes nucléaires nouvelles destinées à remplacer celles qui sont actuellement en service. Ainsi, Jean-Michel Boucheron écrit, en 1997, que la mise en puissance à 0,6 mégajoule du laser Mégajoule à partir de 2006 correspond " à la période des tests nécessaires pour l’ASMP+ " et que sa montée en puissance jusqu’à 2 mégajoules " sera réalisée d’ici 2010, pour un premier tir de combustion en 2012, correspondant à la mise au point de la nouvelle tête nucléaire TNN (successeur de la TN75) pour l’échéance de 2015 "

Autrement dit, cette présentation du Mégajoule signifie que l’on considère que le programme de simulation permettra, comme naguère les essais en réel, de valider les têtes nucléaires nouvelles de l’arsenal français avant leur entrée en service.

De plus, le traité d’interdiction des essais nucléaires met une limite supérieure de 1,8 kg de TNT pour caractériser l’énergie dégagée par une expérience qui serait interdite par le CTBT parce que considérée comme un essai nucléaire. Cette limite sert à distinguer les essais autorisés de ceux qui ne sont pas autorisés. Le Mégajoule pourrait normalement effectuer des expériences en dessous de la limite de 1,8 kg de TNT, mais l’important dégagement de neutrons rangerait ces expériences parmi les essais non autorisés.

Simulations et prolifération

Un second problème lié au programme de simulations est qu’il constitue une violation du traité de non-prolifération. Rappelons que l’article VI de ce traité ratifié par la France le 1er juillet 1992, prévoit que les puissances nucléaires s’engagent à négocier la fin de la course aux armes nucléaires. D’ailleurs, au cours de la campagne pour les élections législatives de 1997, le candidat Lionel Jospin estimait qu’il n’était pas " utile de lancer un programme de simulation des essais qui serait coûteux, inutile et susceptible de relancer la course aux armements " .Mais les " experts " ont dû passer par là puisque, les élections gagnées, le vote du budget par le Parlement pour l’année 1998 a maintenu les crédits pour les simulations.

Le discours officiel, tout en déniant que les simulations constituent une violation du TNP, prend maintenant appui sur l’entrée des indiens et des pakistanais dans le club des puissances nucléaires déclarées. Ainsi, pour résumer l’état d’esprit des " décideurs " politiques français, il faut citer la conclusion du sénateur Jean Faure dans son rapport sur la dissuasion (novembre 1998) : " Le nucléaire est appelé à demeurer un élément fondamental des politiques de sécurité, ce qui renforce pour notre pays l’impératif de modernisation et de pérennisation de la force de dissuasion ". Cet " impératif " qui justifie le programme de simulation se trouve donc en contradiction avec l’article VI du TNP.

Autrement dit, les accrocs à la prolifération nucléaire constitués par les essais indiens et pakistanais (qui, rappelons-le, n’ont signé ni le TNP ni le CTBT), constitueraient des impératifs pour la pérennisation des armes nucléaires de la France qui, elle, a ratifié le TNP.

Simulation, laser Mégajoule et compétences scientifiques

La mise en place du programme de simulation en France veut également répondre à un problème interne au Commissariat à l’Energie Atomique. Ce problème n’est d’ailleurs pas propre à la France, puisqu’on en trouve un écho aux Etats-Unis. Là-bas, en effet, on reproche au National Ignition Facility (NIF, l’équivalent du laser Mégajoule français) de " mobiliser des ressources qui seraient certainement mieux employées dans la recherche civile, et de maintenir les physiciens les plus doués dans le secteur de l’armement ". En France, les difficultés du CEA à recruter des scientifiques de haut niveau ont été relayées, fin 1999, par le député René Galy-Dejean. Ce dernier consacre deux pages de son rapport à expliciter ce problème interne au CEA : " La mise en œuvre de la simulation pour la conception, la maintenance et le renouvellement des charges nucléaires suppose l’existence d’un ensemble de compétences qui vont des domaines les plus ouverts des sciences et des techniques à des secteurs extrêmement pointus dont les spécialistes sont peu nombreux. C’est à cette catégorie qu’appartient le cercle restreint des concepteurs de charges nucléaires. Pour cette raison, la réussite du programme de simulation passe avant tout par la capacité du CEA à constituer une équipe de scientifiques très complète, y compris dans des domaines de compétence extrêmement rares. "

L’inquiétude du CEA est bien réelle, concernant les " concepteurs de charges nucléaires ". Sur une équipe d’une vingtaine qui avaient participé aux campagnes d’essais, ils ne seront plus que 10 en 2002 et ils auront tous quitté le CEA/DAM en 2019.

Vers la bombe à " fusion pure "

Ces précisions de René Galy-Dejean à propos des " concepteurs " viennent confirmer les propos plus scientifiques du Haut-Commissaire à l’Energie atomique René Pellat. Ce dernier a souligné que, dans le cadre du laser Mégajoule, " il s’agit de l’étude de l’allumage de la réaction de fusion ". Les études prévues lorsque le Mégajoule sera en service, vont donc être orientées vers la conception d’un nouveau moyen pour " allumer " les bombes thermonucléaires. Aujourd’hui, les concepteurs de la bombe buttent sur un inconvénient majeur. En effet, pour " allumer " la réaction de la bombe thermonucléaire (c’est à dire une réaction de fusion " deutérium-tritium ") il est nécessaire d’utiliser une bombe atomique " ordinaire " à fission d’uranium et/ou de plutonium.

Toutes les armes thermonucléaires actuellement en service sont conçues en deux " étages " avec une bombe A et une bombe H. Il faut cette " allumette " (type bombe A d’Hirsohima) pour créer les conditions de pression et de température qui mette en route la réaction de fusion de la bombe H. Même si tout se passe en quelques millisecondes au moment de la mise à feu, il est nécessaire d’avoir ces deux éléments.

Ces armes thermonucléaires comportent un inconvénient majeur du fait que l’élément bombe A à l’uranium et/ou au plutonium est extrêmement contaminant : il produit en effet, lors de l’explosion, des quantités de produits de fission (radioactifs) à longue durée de vie. De plus, il est difficile de miniaturiser cette bombe A en raison d’un autre phénomène de physique qui exige la présence d’une quantité minimum d’uranium ou de plutonium appelée " masse critique " (soit entre 6 et 15 kg selon la matière nucléaire employée). Nos bombes thermonucléaires actuelles sont donc " sales " et trop puissantes.

Les recherches prévues avec le laser Mégajoule consisteront donc à tenter de s’affranchir de cette " allumette " à fission type bombe A. Si l’on arrive à comprendre l’allumage du mécanisme de la fusion avec un laser, on espère mettre au point des armes nucléaires nouvelles, dites à " fusion pure ". Ces armes pourront être miniaturisées puisque les matières en jeu sont des gaz deutérium et tritium, donc peu encombrants. De plus, la réaction de fusion deutérium-tritium produit de l’hélium qui est inerte et des neutrons qui, eux par contre, sont très nocifs et meurtriers. Le dégagement intense de neutrons augmente considérablement l’effet de la bombe sur les organismes vivants. La zone létale par tonne de TNT est 100 fois plus étendue si l’énergie est dégagée sous forme neutronique que sous forme calorifique ou mécanique (comme les armes nucléaires actuelles). Autrement dit, les recherches sur les armes à " fusion pure " présentent une réelle percée pour les militaires, qui grâce à la miniaturisation possible, pourraient envisager leur utilisation sur le champ de bataille.

Les diverses facettes de la simulations

La première étape du Laser Mégajoule

De nombreux documents ont présenté le Laser Mégajoule, aussi nous y renvoyons le lecteur. Pour résumer, deux points nous semblent essentiels dans la mise en place de ce programme :

- l’intégration du programme français au programme similaire américain (le CEA parle de " collaboration ") au niveau de la conception, des technologies de base du système, de l’acquisition des composants et de la finalié du programme.

- l’objectif annoncé par le CEA du laser Mégajoule comme étant l’étude des plasmas thermonucléaires, c’est à dire de l’état intermédiaire de la " matière " au début de la réaction de fission.

Le Mégajoule comprendra 240 faisceaux laser convergeant sur une " chambre d’expérience " contenant des matériaux thermonucléaires (deutérium et tritium). Actuellement, le CEA entame la phase d’achèvement d’un premier élément prototype, la Ligne d’Intégration Laser avec 8 faisceaux..

Calendrier de la Ligne d’Intégration Laser

1996 : début de la constuction du bâtiment de la LIL au Barp

juillet 1998 : inauguration des bâtiments de la LIL au CESTA

début 1999 : installation et premiers tests du deuxième prototype du pilote

mi 1999 : vérification des caractéristiques de la dernière génération de prototype du pilote

mi 2000 : début de la fabrication industrielle des composant de la LIL : pilote, amplificateur et système optique pour convertir la fréquence et focaliser le faisceaux

fin 2001 : la LIL devra être opérationnelle : les 8 faisceaux du pilote auront été amplifiés, convertis en fréquence puis focalisés dans la chambre d’expériences.

Simulation et programme Airix

Le système Airix, en cours d’installation sur le terrain d’expérimentation du CEA de Moronvilliers (près de Reims) est une machine radiographique pour la visualisation détaillée du comportement dynamique de l’arme.

Les examens par radiographie d’une explosion de bombes où l’essentiel des éléments radioactifs a été remplacé par des matières neutres ne sont pas nouveaux. Ils font partie des " tirs froids " effectués par le CEA depuis le début des essais nucléaires.

En fait, la machine à radiographie Airix sert principalement à valider le fonctionnement, simulé par calculs numériques sur ordinateurs, de l’amorce de l’arme nucléaire. Cette amorce fonctionne sur le principe de l’implosion réalisée à l’aide d’explosifs chimiques agissant sur une arme à fission. Sous l’effet de l’implosion, le matériau lourd (plutonium et/ou uranium) atteint la masse critique et la réaction en chaîne se développe. L’ensemble des événements successifs et des matériaux en jeu au cours de cette implosion d’une durée de quelques millionnièmes de seconde est " photographié " par un flux très énergétique de rayons X produits par la machine Airix. Une première expérience de mesure avec la machine Airix a été réalisée le 2 décembre 1999.

Le système de radiographie Airix est une modernisation des systèmes utilisés antérieurement. Auparavant, la direction des applications militaires du CEA utilisait le générateur GREC (générateur pour radiographie éclair, construit pour le CEA en 1974 par Physics International) pour la radiographie des expériences de détonique. La nécessité d’obtenir de meilleures images a consisté à améliorer les performance de la source de rayons X. Un démonstrateur de la machine Airix dénommé PIVAIR (Prototype d’installation pour valider l’accélérateur à induction de radiographie) a été construit au CEA-CESTA du Barp. PIVAIR a été doté d’un injecteur à induction acquis auprès de l’industriel américain Titan-PSI, réalisateur de l’électrotechnique de l’injecteur de DARHT, projet similaire à Airix développé au Los Alamos National Laboratory (Etats-Unis).

Les différentes expériences conduites avec le système PIVAIR ont rendu possible la réalisation d’Airix. Les compétences ainsi acquises par le CESTA ont été transmises à la société Thomson, chargée de la construction d’Airix, ainsi qu’aux futurs exploitants (CEA Moronvilliers) de cette machine.

La coopération avec les Etats-Unis sur le système de radiographie Airix ne se limite pas à l’acquisition de matériels américains. Ainsi, des calculs et des vérifications pour la mise au point du système Airix ont été réalisés expérimentalement en 1996 sur une machine fonctionnant au Los Alamos National Laboratory

Le système Airix sera composé, selon le rapport Galy-Dejean, de deux éléments :

- une machine d’irradiation dite " un axe " qui a été mise en service à la fin de l’année 1999

- une machine dite " deuxième axe " qui devrait permettre d’obtenir, au cours d’une même expérience, plusieurs clichés radiographiques à différents instants et si possible, suivant différents angles d’observation.

Début 1999, il a été décidé de retarder de 3 ans l’investissement dans " Airix deuxième axe " qui devrait être livré en 2010. Cette décision budgétaire devrait permettre d’avancer de deux ans la date d’achèvement du laser Mégajoule (2008 au lieu de 2010) sans pour autant modifier le coût annuel du programme de simulation.

Le coût total du système Airix est annoncé pour 600 millions de francs.

Calendrier du programme Airix

octobre 1992 : Lancement du projet

1995 : - début de la construction du bâtiment Airix à Moronvilliers

- installation et essais avec les prototypes d’Airix (Pivair)

mars 1997 : Fin du développement

septembre 1999 : Réception de la machine un axe

2 décembre 1999 : Première expérience avec la machine un axe

2005 : Lancement du deuxième axe

2010 : Livraison du deuxième axe

Simulation et systèmes de calcul

Le programme de simulation nécessite de faire davantage appel aux moyens de calcul pour établir la modélisation physique de tous les phénomènes mis en jeu dans le fonctionnement d’une arme nucléaire. Cependant, du temps des essais nucléaires en réel, le CEA disposait déjà d’importants moyens de calculs grâce à des ordinateurs très puissants achetés aux Etats-Unis. Ces ordinateurs, installés au Centre de Limeil-Valenton (CEA-DAM), avaient même été renouvelés à partir de 1987, soit 2 Control Data Cyber 860, un CRAY 1S et un CRAY X/MP 416. En 1997, un Centre de calcul a été créé à Bruyères-le-Châtel, avec un ordinateur CRAY T90.

Avec la fermeture du centre de Limeil en 1999, le transfert de ces ordinateurs a été effectué au Centre de Bruyères-le-Châtel. Mais, avec le programme de simulation les capacité de mémoire des machines doivent croître considérablement. Il faut donc acquérir des machines plus performantes, c’est à dire 1 000 fois plus puissantes que celles actuellement disponibles. L’objectif est de fournir aux physiciens une puissance de calcul d’environ 1 teraflops (1000 milliards d’opérations par seconde).

Le CEA doit acquérir aux Etats-Unis une nouvelle machine dite " ordinateur massivement parallèle ", T3E, au cours de l’année 2000. Des crédits pour 2000 s’élevant à 211 millions de francs ont été ouverts à cet effet pour financer l’acquisition et l’installation de cet ordinateur.

Les rapports parlementaires ne sont pas très clairs sur la date de mise en service de cette machine superpuissante. Ainsi, Jean-Michel Boucheron écrit que la disponibilité de ces ordinateurs massivement parallèles semble réaliste à l’horizon 2010.

Le coût du programme de simulations

Ce programme est à la charge de la DAM du CEA, mais curieusement son financement n’est pas clairement identifié dans le détail des crédits de la défense versés au CEA. Il faut aller plus loin dans les rapports parlementaires pour obtenir des précisions sur les simulations.

Selon Jean-Michel Boucheron, " c’est au plan simulation d’apporter la garantie, en l’absence d’essais nucléaires, de la fiabilité et de la sûreté des armes françaises actuelles et futures, c’est dire l’importance cruciale de ce programme ".

Le coût global du programme de simulation a fait l’objet d’approximations. Ainsi, lors de la présentation du programme au Parlement, le député Jacques Baumel écrivait en 1994 : " Le coût total annoncé de ce programme a été évalué à 10,5 milliards de francs qui devraient être engagés entre 1995 et 2000, mais chacun sait bien qu’il coûtera environ le double ". Trois ans plus tard, le même député annonce un coût global du programme à hauteur de 16 milliards de francs, sans compter le fonctionnement qui prévoit un coût annuel d’un milliard de francs.

Les crédits pour la simulations pour la période 1994-2002, se présentent ainsi (en millions de francs 1998):

.
1994-96
1997
1998
1999
2000
2001-2002
Total
Etudes
.
1 251
1 037
932
986
1 974
(6 180)
Laser Mégajoule (y compris la ligne d’intégration laser)
.
164
376
506
548
1 857
(3 451)
Autres investissement (AIRIX, ordinateurs, divers)
.
250
320
399
260
236
(1 465)
Total
2 106
1 665
1 733
1 837
1 794
4 067
13 202

 

Cette présentation des crédits n’est pas claire en ce qui concerne le laser Mégajoule. En effet, la partie " études " du programme de simulations comporte des expériences liées au programme Mégajoule. En 1997, le rapporteur du budget Jean-Michel Boucheron, évaluait le coût du Mégajoule à 6,5 milliards de francs. Or, les principaux investissements vont être faits à partir de 2002, lorsqu’il s’agira de passer de la ligne d’intégration laser (avec 8 faisceaux) à l’ensemble du système qui comportera 240 faisceaux laser et on constate qu’à cette date plus de la moitié des crédits prévus auront été consommés.

Les coûts ont été indiqués jusqu’en 2002 parce qu’ils correspondent à la période de la loi de programmation militaire qui présente les dépenses militaires jusqu’à cette date. La prochaine loi de programmation (2003-2008) est en préparation et aucun chiffre n’a encore été donné pour le programme de simulations qui, rappelons-le devrait être opérationnel à partir de 2010, date à laquelle le laser Mégajoule atteindra sa pleine capacité.

Tableau : Chronologie du programme de simulations

8 avril 1992 suspension des essais nucléaires décidée par François Mitterrand
1er juillet 1992 la France signe le traité de non-prolifération
décembre 1993 publication du rapport Galy Dejean sur le programme PALEN
1994 lancement du programme de simulations au CEA
13 juin 1995 annonce de la reprise des essais par Jacques Chirac
26 septembre 1996 la France signe le traité d’interdiction des essais
10 juillet 1998 inauguration du bâtiment de la Ligne d’Intégration Laser au Barp
septembre 1999 installation de la machine Airix " un axe " à Moronvilliers
2 décembre 1999 première expérience Airix " un axe " à Moronvilliers
2000 achat aux Etats-Unis d’un ordinateur " massivement parallèle "
fin 2001 la Ligne d’Intégration Laser est opérationnelle au Barp
2002 premières expériences à 60 kJ de la Ligne d’Intégration Laser
2005 lancement de la construction de la machine Airix " deux axes " à Moronvilliers
2006 achèvement prévu du bâtiment laser Mégajoule au Barp
2010

mise en service des logiciels de calcul (ordinateurs massivement parallèles)

livraison de la machine Airix " deux axes " à Moronvilliers

premier tir du laser Mégajoule à pleine énergie (1,8 MJ)

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