M2 Grands Instruments – Plasmas Lasers Accélérateurs Tokamaks

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Les établissements partenaires

Le master-2 Grands Instruments – Plasmas lasers accélérateurs tokamaks est un parcours de 2e année de la mention de master Physique de l’Université Paris-Saclay (UPSaclay) et l’Institut polytechnique de Paris (IPP), qui associe en Ile-de-France plusieurs Universités et Écoles d’Ingénieurs accrédités par le ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche : l’Université Paris-Saclay (ou Université Paris-Sud jusqu’en 2019), l’Ecole Polytechnique (X),
l’Institut d’optique-Graduate school (IOGS), l’Ecole normale supérieure de Paris-Saclay (ENS-PS), l’Ecole nationale supérieure des techniques avancées (ENSTA), l’Ecole Centrale-Supelec et l’Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires (INSTN) du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives. Ce master-2 fait suite, à la rentrée 2020, au M2 “Grands instruments” et également au M2 “Sciences de la fusion” qui existait sous forme d’un Master national jusqu’à la rentrée 2015.

Le grand instrument de recherche

Pour mener à bien leurs activités de recherche, les laboratoires institutionnels ou industriels utilisent généralement leurs propres installations et ingénieurs/chercheurs. Cependant, certaines recherches nécessitent des investissements importants (des installations mais aussi des compétences) tels que ces laboratoires doivent les partager. Un grand équipement de recherche est un moyen mutualisé, au service de communautés de chercheurs, rassemblant des conditions de volumes, de temps, d’états de la matière, et d’énergie suffisamment éloignées des conditions courantes (les fameuses conditions normales de température et de pression) pour le rendre trop coûteux pour un laboratoire de recherche seul. L’accès à un tel instrument se fait au travers d’un comité de programmes qui établit des priorités entre les projets de recherche devant l’utiliser.
Avec des noms légèrement différents (infrastructure, installation, équipement, instrument ; toujours qualifié de grand, voire très grand), un grand équipement de recherche est au centre de réseaux nationaux, continentaux ou internationaux : “Très grandes infrastructures de recherche” (TGIR) au ministère de la recherche, un programme “Très grands instruments” (TGI) dans le cadre du contrat d’objectifs et de performance Etat-CEA, un programme européen “European Strategy Forum on Research Infrastructures” (ESFRI). Le site web qui lui est dédié vous donne le panorama complet de tous les projets ESFRI dont une part importante sollicite des compétences enseignées dans le master-2 décrit ci-dessous: Extreme Light Infrastructure (ELI-Europe de l’Est), Facility for Antiproton and Ion Research (Hambourg-Allemagne), Système de Production d’Ions Radioactifs en Ligne de 2e génération (Caen-France), …

Le master-2 GI-PLATO

Ce master a vocation à former des scientifiques de haut niveau, sur l’ensemble du spectre d’activités des plasmas associés aux grands programmes de recherche, et par la richesse des cours proposés, par les méthodes d’enseignement utilisées, par les partenariats engagés, constitue un ensemble pluridisciplinaire unique de formation en physique. En amont des grands programmes de recherche, la modélisation des phénomènes mis en oeuvre dans les plasmas créé (les faisceaux de particules en sont une forme) avec des aspects théorique et de simulation marqués ; puis la conception d’expériences, la mesure et les diagnostics associés des grandeurs pertinentes parfois fugaces et de valeurs extrêmes inusuelles dans les conditions normales terrestres. En aval, l’interprétation avec la confrontation modèle – résultats expérimentaux. Par ailleurs, la conception, la construction, l’opération et la gestion des grandes infrastructures de recherche réclament des ingénieurs/chercheurs aux compétences pluridisciplinaires, capables d’en maitriser l’ingénierie, la technologie et la physique comme de pouvoir dialoguer et se mettre au service de ses utilisateurs.
Pour répondre à ces besoins et fournir les compétences attachées aux programmes de recherche théorique, expérimentale et instrumentale, nous proposons au travers  du M2 Grands instruments- Plasmas lasers accélérateurs tokamaks, une formation pluridisciplinaire, couvrant la physique des plasmas d’une part et les autres domaines de la physique mise en oeuvre dans les technologies utilisées, et dont le programme est constitué de 6 mois d’enseignement traditionnel comprenant environ 350 h de cours/TD/TP et d’un stage long de 6 mois. La formation se caractérise par de nombreux travaux pratiques réalisés dans des laboratoires de recherche localisés au sein de l’Université Paris-Saclay, dans la vallée d’Orsay ou bien sur le plateau de Saclay.

Plasmas et technologies

Ce M2 a vocation à couvrir plus particulièrement les plasmas, le quatrième état de la matière à savoir un milieu ionisé constitué de particules chargées libres, et les grands instruments associés où l’électromagnétisme joue un rôle prépondérant : accélérateurs de particules et faisceaux de particules qui s’y propagent, lasers et plasmas créés par laser, tokamaks et plasmas magnétisés. Cette formation pluridisciplinaire, à la frontière entre l’ingénierie et la recherche, peut aussi bien s’adresser aux élèves-ingénieurs cherchant à s’orienter vers la recherche qu’aux étudiants universitaires disposés à s’orienter vers une activité d’ingénieur. Les profils d’activité des étudiants diplômés sont de ce fait très variés : instrumentation, physique expérimentale, physique théorique et simulation numérique.

Ces trois types d’instrument contribuent à créer et contrôler un plasma, via la mise en oeuvre de nombreuses techniques :

  • Pour injecter un plasma : avec des dispositifs cryogéniques de mélange deuterium et tritium pour la fusion ou bien des  injecteurs séparant ions et électrons pour servir de sources de particules aux accélérateurs ;
  • Pour confiner les plasmas : avec des matériaux de haute tenue mécanique sous haut flux thermique ou sous irradiation et/ou avec des champs magnétiques intenses réalisés avec des bobines supraconductrices portées à très basse température ;
  • Pour chauffer les plasmas ou accélérer des particules : avec des lasers de puissance ou bien des générateurs de radiofréquences ;
  • Pour diagnostiquer les plasmas, les faisceaux et les différents phénomènes mis en jeu : avec une instrumentation variée collectant avec une grande résolution temporelle (jusqu’à la femtoseconde), spatiale et spectrale (de l’électron-volt jusqu’au GeV) les rayonnements ou les particules s’échappant du plasma

Regroupement auprès de grandes installations

En vue de préparer les étudiants aux grands programmes de recherche et aux grandes installations associées, un mois de la formation est organisé auprès de grandes installations d’intérêt international, où cours, TD et TP accompagnés de visites sont donnés aux étudiants du M2 GI-PLATO regroupés avec d’autres étudiants :

  • Tokamak supraconducteur Tore-Supra/West situé au CEA/Cadarache auprès du futur tokamak ITER avec les étudiants du master européen Erasmus Mundus Fusion-EP et les étudiants des masters de physique spécialisés aux plasmas des sites de Marseille et de Nancy ;
  • Lasers de puissance LMJ et Petal délivrant des impulsions nanoseconde et picoseconde situés au CEA/Bordeaux avec les étudiants du master de physique de l’université de Bordeaux ;
  • Accélérateurs du Centre européen de recherche nucléaire (CERN) près de Genève, du Paul Scherrer Institüt près de Zürich, de l’ESRF à Grenoble avec des étudiants, doctorants venant des universités et laboratoires dispersés sur toute l’Europe. Ce regroupement est coordonné par la Joint Universities Accelerator School (JUAS), en partenariat avec 16 universités européennes et parrainée par de nombreux organismes de recherches et des entreprises du secteur des accélérateurs.