Université Paul Cézanne Aix-Marseille III








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III.DESCRIPTION GENERALE DU PROJET

III.1Objectifs de la formation

III.1.1Objectifs scientifiques


(préciser les objectifs scientifiques communs aux parcours « recherche » et aux parcours « professionnalisant ») :

La France est le siège de deux grands programmes de recherche sur la fusion thermonucléaire dont les pièces maîtresses sont, pour la fusion par confinement inertiel, le Laser MégaJoule (LMJ) actuellement en construction près de Bordeaux et, pour la fusion par confinement magnétique, le tokamak ITER, grand projet international mené en partenariat avec l’Union Européenne, le Japon, la Chine, la Corée du sud, la Russie et les USA, et que les partenaires viennent de choisir de construire à Cadarache.

L’exploitation scientifique de ces deux équipements dont le démarrage est prévu respectivement dans cinq et dix ans (2010-2015), et dont l’exploitation doit se poursuivre ensuite sur au moins deux décennies, nécessite le développement d’une communauté scientifique hautement compétente et suffisamment large qui passe par une formation de niveau Master et doctorat répondant aux nouveaux besoins de ces recherches. En attendant la mise en route de ces deux installations de niveau international, ces programmes reposent en France sur deux grands équipements scientifiques en exploitation : la Ligne d’Intégration Laser (LIL) au CEA/CESTA près de Bordeaux et le tokamak Tore Supra à Cadarache. Le CEA est un acteur majeur de ces programmes qui sont largement ouverts à la communauté scientifique européenne et mondiale. Ainsi, les recherches en fusion magnétique sont coordonnées en France dans le cadre européen par l’association Euratom CEA depuis 1959. La coordination des recherches en fusion inertielle est effectuée dans le cadre du programme européen LASERNET et de l’Institut des Lasers et Plasmas qui ont été créés récemment.

L’objectif de la spécialité est de coordonner un ensemble d'enseignements à vocation internationale, lisible, cohérente et de grande qualité dans les domaines des sciences de la fusion. La structuration initialement nationale permettra de constituer rapidement un réseau international du plus haut niveau. Les domaines concernés ressortent d'abord de la physique des plasmas, qui seront le siège des réactions thermonucléaires. Au cœur du problème, les interactions entre particules chargées qui sont analysées à plusieurs échelles : la physique microscopique, celle du continu où les interactions champs particules sont analysées et celle du discret avec la physique atomique sous-jacente à la spectroscopie des plasmas étudiés, la physique macroscopique, avec l'hydrodynamique avec ou sans champ magnétique, selon la voie de confinement étudiée. Les phénomènes de couplage matière - champ et la physique des ondes dans les plasmas sont une partie importante du cursus proposé. Un tronc commun est proposé à l'ensemble des parcours permettant d'aborder tous ces aspects. Une ouverture importante est proposée sur l’ensemble des disciplines traitant de la matière dans les conditions extrêmes (astrophysique, physique des matériaux, physique nucléaire, …), reproductibles dans les grands équipements de fusion.

III.1.2Objectifs professionnels


(Préciser les objectifs professionnels aussi bien pour les parcours « recherche » que pour les parcours « professionnalisant ») :

  • Parcours « Recherche » : l’objectif est de former de futurs doctorants ou ingénieurs de recherche hautement qualifiés dans leur spécialité. Les méthodes de travail et les connaissances acquises favorisent l’intégration dans les organismes nationaux ainsi que le réseau international des laboratoires impliqués dans le domaine de la fusion et des disciplines connexes.

  • Parcours « Professionnel » : l’objectif est de former de futurs ingénieurs avec une solide expertise en technologie doublée de compétences en physique des plasmas de fusion. Le but est de préparer les étudiants à une intégration dans l'industrie et dans les organismes de recherche au niveau ingénieur.

Cette spécialité de master doit donc permettre aux étudiants d’acquérir les connaissances spécialisées nécessaires au travers des différents parcours proposés, en s’appuyant sur une solide formation fondamentale avec un accent particulier sur la physique macroscopique. Les parcours « recherche » doivent former de futurs doctorants et ingénieurs de recherche de haut niveau, possédant en outre des connaissances substantielles en technologie. Pour le parcours « professionnel », destiné à former des cadres au niveau ingénieur, l’accent est mis plus fortement sur la technologie et l’environnement industriel tout en assurant de solides connaissances générales sur la physique de la fusion. Un grand nombre de laboratoires sont associés à la fédération "Formation aux sciences de la fusion" et offriront des stages et des possibilités de thèses. Ces laboratoires académiques impliqués dans la physique ou bien la technologie de la fusion puiseront naturellement dans ce vivier pour offrir des postes de chercheurs et d'ingénieurs des grands organismes publics (CNRS, CEA, ONERA, …) ou des postes d'enseignants-chercheurs.

III.1.3Compétences acquises


L'acquisition de connaissances théoriques et expérimentales dans le domaine des plasmas de fusion, et l'apprentissage des techniques de laboratoire et d'instrumentation scientifique dans ces domaines, favorisent une insertion dans le milieu industriel et dans les organismes publics de recherche.

L'accent est mis sur les aspects non linéaires et statistiques des phénomènes physiques considérés. Le spectre ainsi couvert est suffisamment large pour aborder les nombreux thèmes rencontrés aujourd'hui en sciences de la fusion.

Cette formation constitue également une bonne préparation à des problématiques expérimentales variées, relevant, entre autres, de l'interaction plasma avec les parois, de la turbulence, ou du chauffage par des ondes ou par des faisceaux de particules.

Plus précisément les compétences scientifiques acquises couvrent les domaines suivants :

  • Théorie cinétique des populations de particules chargées : orbites, collisions, confinement des plasmas, instabilité gyrocinétique et transport associé.

  • (Magnéto-) hydrodynamique : Equilibre et stabilité (magnéto-) hydrodynamique, instabilités hydrodynamiques, ablation, transport et turbulence.

  • Couplage onde-plasma : chauffage et génération de courant. Générateur de puissance : radiofréquence, micro-ondes, transformation des ondes et des instabilités paramétriques. Lasers de puissance. Interaction à ultra haute intensité, accélération des particules avec lasers.

  • Lasers de puissance : construction et gestion des grands lasers, matériaux pour les lasers, tenue au flux.

  • Confinement : cryogénie, supraconduction et cryomagnétisme. Sciences et technique du vide. Matériaux sous irradiation neutronique et sous haut flux thermique.

  • Diagnostics et pilotage des équipements thermonucléaires.

  • Plasmas denses et chauds : physique atomique et équations d’état.

  • Fusion nucléaire : sections efficaces, critère d'allumage, dimensionnement des cibles, combustion et la production d’énergie.

  • Astrophysique : plasmas astrophysiques, turbulence, planètes et étoiles, objets compacts, – équations d'état, création et dynamique des structures à grande échelle

  • Méthodes numériques et modélisation des processus physiques et des instruments.

La construction, la maintenance et l'exploitation des équipements de fusion demandent la maîtrise de nombreuses technologies. La spécialité proposée doit former des physiciens et des ingénieurs aptes à comprendre et concevoir les technologies associées :

  • Le chauffage du plasma tout d'abord, par des techniques haute-fréquence et des accélérateurs pour la voie magnétique ou bien par laser pour la voie inertielle ;

  • Le confinement "immatériel" :

    • par champ magnétique avec tous les aspects de la génération de champ magnétique intense pour la fusion par voie magnétique ;

    • par inertie, avec tous les aspects de la conception des lasers de très haute énergie et très haute puissance, et de la conception des cibles ;

  • Le confinement matériel qui intéresse les deux voies, avec les notions de matériaux sous conditions extrêmes via des hauts flux neutronique, thermique ou radiatif ;

  • Les diagnostics expérimentaux utilisant ou bien les rayonnements émis par les plasmas ou bien les particules atteignant les parois de l'installation ;

  • La gestion des installations en milieu hostile avec des spécificités de pilotage faisant appel fortement à la robotique ;

  • La modélisation et la simulation numérique, en tant qu'interface entre la réalité et le modèle.

III.1.4Métiers actuels et futurs visés


La Commission Européenne prévoit dans le 7e PCRD un triplement du budget sur la fusion, qui inclut la construction d'ITER et le maintien d'un programme d'accompagnement au même volume qu'actuellement. Il en résulte pour la France des besoins nouveaux pour ITER (institutions publiques et secteur privé) et le remplacement des départs volontaires et à la retraite des cadres existants sur le programme actuel. De plus, la spécialité proposée offrira la possibilité de former des étudiants en provenance des pays partenaires d'ITER, d'où l'importance attachée à un certain nombre d'enseignements en anglais. Concernant l'admission en M2, il est proposé de limiter annuellement le flux d'étudiants admis à environ 100, soit le double de ce qui est estimé nécessaire pour les programmes LMJ et ITER (cf. base de l'estimation ci-dessous). La moitié des étudiants formés sera destinée au doctorat. La moitié des étudiants formés (docteurs + ingénieurs) sera recrutée par les institutions publiques.

Il est donc nécessaire d'accroître fortement la formation des cadres, scientifiques et ingénieurs, dans les sciences de la fusion dans les décennies à venir, pour :

  • en ce qui concerne la fusion magnétique :

    • répondre aux nouvelles obligations de la France vis à vis d'ITER pour les trente années à venir, par la participation à l'exploitation d'ITER, via les trois entités : organisation internationale, agence européenne, agence ITER-France,

    • répondre aux besoins (pour le CEA, le CNRS et les universités) du programme européen d'accompagnement "Fusion" : machines de physique (JET, ToreSupra supposé fonctionner jusqu'au démarrage d'ITER, ...), calcul , simulation, diagnostic, participation au programme technologique pour l'après ITER (développement des matériaux - IFMIF), cryomagnétisme, systèmes de chauffage, ...,

    • répondre aux besoins du secteur privé, via à vis de la construction d'ITER et du développement des technologies de la fusion,

    • contribuer à la formation d'étudiants étrangers, des pays partenaires d'ITER ;

  • en ce qui concerne la fusion inertielle :

    • répondre aux besoins des universités et organismes français sur l'exploitation des grands instruments de recherche sur la fusion par laser (LMJ, LIL, LULI2000, ...),

    • répondre aux besoins du secteur privé, via à vis de la construction du LMJ et du développement des technologies de la fusion.

Pour la fusion magnétique, l'estimation tient compte du caractère pluridisciplinaire des activités de la fusion et de son caractère international et des activités associés à ce projet. Pour être au plus juste, des estimations ont été faites sur la base de l'association EURATOM-CEA qui gère le tokamak Tore-Supra et les études confiées par l'Europe aux équipes françaises et sur la base de l'installation JET à Culham (UK). Les besoins ont été extrapolés, àa partir de cette base, en tenant compte des métiers ses effectifs, et en considérant des populations dans le rapport des budgets de fonctionnement. Le tableau ci-dessous indique l'état actuel et les besoins en ingénieurs et chercheurs en 2015. Par ailleurs, il a été tenu compte du besoin de renouveler les compétences pour les combler les départs volontaire et les mises à retraite.





Ingénieurs

Chercheurs

Effectif actuel : Association EURATOM-CEA

110

60

Effectif actuel : JET

400

210

Effectif actuel : Universités + CNRS

15

40

Besoins ITER : effectif français participant à l'exploitation d'ITER après 2015

 250

 130

Besoins hors ITER: effectif français participant au programme d'accompagnement "Fusion-Euratom" après 2015

 30

 90

Besoins ITER : effectif français du secteur privé (conception, fabrication de haute technologie)

 750

0

Besoins ITER : participation européenne (hors France) à l'exploitation d'ITER sur site

 250

 130

Besoins hors ITER : participation européenne (hors France) au programme d'accompagnement hors site

 470

 175

Ressources humaines (homme/an) en ingénieurs et physiciens de l'Association Euratom-CEA, des Universités et du CNRS, du JET, et extrapolation à ITER (Europe et France) pour 2015.

Le programme de construction et d’exploitation du laser LMJ crée un besoin fort de spécialistes de haut niveau, dans des disciplines de haute technologie, particulièrement dans les domaines de l'optique, du diagnostic à haute résolution temporelle (picoseconde). La communauté scientifique actuellement regroupée par l’ILP autour de la physique des plasmas et des lasers s’élève à environ 250 physiciens et ingénieurs. Le renouvellement et l’accroissement de cette communauté, l’exploitation des infrastructures lasers nationales (autres que la LIL et le LMJ), et la recherche fondamentale stimulée par la physique des plasmas denses et chauds créés par lasers conduit à des besoins de formation évalués à 100 physiciens sur 10 ans. Pour l'exploitation du LMJ, le besoin est estimé à environ 150 ingénieurs et physiciens à former en France sur dix ans.

L'estimation globale a été faite en considérant un renouvellement sur 10 ans d'un quart à un tiers, suivant les cas, du potentiel actuel, que la spécialité proposée pourrait former jusqu'à 5 % des étudiants étrangers, 10 % des besoins en ingénieurs français concernés et 75 % des besoins en chercheur français. Cela donne un total de 500 ingénieurs et chercheurs à former sur 10 ans, soit 50 en moyenne par an, se répartissant en 70 % pour la fusion magnétique et 30 % pour la fusion inertielle. Etant donné l'exploitation des grands équipements se fait par une montée en puissance progressive et que les départs se font régulièrement, les besoins peuvent être satisfaits par une formation à effectif approximativement constant de 100 au maximum par an, soit le double des besoins.

La spécialité proposée, grâce à ses trois parcours dont deux de type Recherche et un de type Recherche ou Professionnel, doit permettre de répondre à ces besoins. Les métiers visés sont respectivement :

  • Dans le cas du parcours « Recherche » :

Ingénieurs de recherche, chercheurs, enseignants-chercheurs. Dans ce contexte, des liens importants seront tissés entre la spécialité proposée et les écoles doctorales aptes à proposer et soutenir des sujets de thèse intéressant la fusion.

  • Dans le cas du parcours « Professionnel » :

Ingénieurs de conception et de réalisation, chefs de projet. Dans ce contexte des liens importants seront tissés avec les industries appropriées.

Les recrutements sur tous ces emplois concernent différents secteurs publics ou privés :

  • La recherche publique, pour laquelle nous espérons un flux régulier de recrutement dans les universités, et les grands organismes tels que le CNRS et le CEA.

  • Les instituts de recherche en fusion magnétique et inertielle, au niveau international.

  • Le milieu industriel, où nous pensons que des recrutements seront possibles dans les domaines suivants:

    • technologies de la fusion par confinement inertiel (Laser mégajoule) ou magnétique (Tore-Supra, JET, ITER) ;

    • cryomagnétisme et électrotechnique de puissance ;

    • instrumentation et métrologie par ondes, particules et optique (diagnostics de plasma) ;

    • ingénierie du nucléaire : matériaux, cycle du combustible, radioprotection, mesures nucléaires (après un complément de formation à l'INSTN) ;

    • informatique et méthodes numériques : simulation et modélisation de systèmes complexes.
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