Master GI PLATO – M2 Grands Instruments – Plasmas-Lasers Accélérateurs Tokamaks

Les établissements partenaires

Le Master-2 Grands Instruments – Plasmas-LAsers accélérateurs tokamaks (GI-PLATO) est un parcours de 2^e 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 mais également l’Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires (INSTN) du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA).

Ce master-2 fait suite, à la rentrée 2020, au Master-2 national “Sciences de la fusion” puis au master-2 “Grands instruments” et associe physique fondamentale, science et technologies des plasmas. Thématiquement GI-PLATO élargit le spectre des grands instruments au delà de la fusion, qu’elle soit magnétique ou inertielle, aux accélérateurs et à l’interaction laser-plasma à très haute intensité.

A partir de la rentrée 2022-2023, les étudiants viendront également du consortium Erasmus Mundus Consortium Lascala (Large scale Accelerators and lasers), accepté et financé par la commission européenne pendant l’été 2020 et réunissant quatre universités européennes Université La Sapienza (Italie), Université de Szeged (Hongrie), Université de Lund (Suède) and Université Paris-Saclay (coordinateur).

Le Master-2 GI-PLATO et les plasmas

Les plasmas sont omniprésents dans l’univers, sauf sur terre où les électrons et les noyaux sont liés à l’intérieur des atomes, qui constituent le bloc de base pour construire des structures de plus en plus complexes, à savoir des molécules, des chaînes macromoléculaires, des protéines, l’ADN et le programme du vivant associé. Les électrons et les ions libres donnent lieu à des caractéristiques spécifiques intéressant divers domaines d’application, en fonction de deux paramètres : leur densité, qui mesure la distance moyenne entre les particules, et leur température, qui mesure l’énergie cinétique qu’elles doivent opposer à l’énergie potentielle d’interaction intra-particulaire. Diverses communautés de scientifiques se sont regroupées autour de plasmas spécifiques, et communiquent par le biais de leurs propres conférences, séminaires et langues vernaculaires spécialisées.

Ce spectre de communautés peut être vu à travers le tableau de référence d’une revue à comité de lecture, très réputée à l’échelle de la planète, à savoir la revue Physics of Plasmas éditée par l’American Institute of Physics (AIP). Elle rapporte, sous forme d’articles, des recherches originales dans tous les domaines de la physique expérimentale et théorique des plasmas, qu’ils soient naturels ou créés artificiellement en laboratoire.

Parmi cette longue liste affichée ci-dessous, le programme de master PLATO proposé ici couvre une majorité des thématiques figurant dans les bulles rouges ci-dessous. Seuls les éléments en vert ne sont pas couverts spécifiquement par les cours ou les séminaires du master. Une bulle avec une couleur verte mélangée est partiellement enseignée, en raison de la grande interface entre les plasmas pilotés par laser et les plasmas naturels, tels que les supernovae, les étoiles comme le soleil, les jets de particules, les chocs non collisionnels, … . La diversité des plasmas et des techniques qui les régissent est telle qu’une année ne suffirait pas pour enseigner au niveau de la maîtrise toutes les compétences nécessaires à leur compréhension, y compris les protocoles et projets théoriques, expérimentaux et instrumentaux. Pour éviter de s’éparpiller et se limiter à une connaissance superficielle sur tous les types de plasmas, le programme proposé est consacré aux plasmas chauds et aux faisceaux afin de les approfondir et de donner aux étudiants hautement qualifiés la possibilité de choisir, après l’obtention de leur diplôme, leur profil de physicien : théoricien, expérimentateur, instrumentaliste, via des postes permanents de chercheur ou de chef de projet.

L’enseignement de deuxième année de master proposé couvre un programme pluridisciplinaire, composé de 6 mois d’enseignement traditionnel comportant 350 heures de cours / travaux dirigés / travaux pratiques et d’un stage de recherche encadré de 5 mois. La formation comporte de nombreux travaux pratiques réalisés dans des laboratoires de recherche situés au sein de l’Université Paris-Saclay, dans la vallée d’Orsay et sur le plateau de Saclay.

Le Master-2 GI-PLATO et son projet pédagogique

Le master-2 GI-PLATO forme des scientifiques de haut niveau à la physique des plasmas sur les grands instruments : accélérateurs, lasers intenses, plasmas créés par laser, sources de rayonnement, tokamaks, pour la recherche, l’ingénierie, l’intégration et la gestion de projets en relation avec les grandes programmes de recherche en physique des particules, du rayonnement et des plasmas. Certains grands équipements scientifiques sont présents dans le périmètre du plateau de Saclay tels que le Synchrotron SOLEIL, le laser APOLLON et d’autres lasers de puissance, les accélérateurs de l’IRFU (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers) à Saclay et l’IJClab (Laboratoire Irene Joliot Curie) à Orsay , mais aussi les grandes installations nationales et européennes qui s’appuient sur des collaborations avec des chercheurs locaux (CERN, ITER, LMJ, GANIL).

Par la richesse des cours proposés, par les méthodes d’enseignement utilisées, par les partenariats engagés, il constitue un ensemble pluridisciplinaire unique de formation en physique des conditions électromagnétiques extrêmes. En amont de ces grands programmes de recherche, la modélisation des phénomènes mis en oeuvre 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 maîtriser l’ingénierie, la technologie et la physique comme de pouvoir dialoguer et se mettre au service de ses utilisateurs. D’où la présence d’enseignements dévolus aux hautes technologies mises en œuvre au sein des laboratoires, telles que les systèmes accélérateurs, le magnétisme, le vide, la cryogénie, les sources de puissance qu’il soient dans la gamme optique ou radiofréquence (lasers et gyrotrons), la thermique, l’instrumentation et la détection. Les 60 crédits de formation (ECTS – European Credit Transfer System) sont constitués à part égales d’enseignements de tronc commun pendant l’automne, d’enseignements de spécialisation pendant la période d’hiver et d’un stage de 5 mois au printemps-été.

Dans l’esprit qui préside à la fondation de l’université Paris-Saclay, cette formation s’adresse tant aux étudiants issus de l’Université et aux élèves des Ecoles Normales Supérieures qu’aux élèves des grandes écoles d’ingénieurs. Les universitaires pourront achever leur formation en physique et acquérir de surcroît des compétences expérimentales et instrumentales. Symétriquement, les élèves ingénieurs intéressés par la recherche en physique pourront compléter leur formation d’ingénieur par un approfondissement en physique fondamentale et avoir accès aux grands équipements scientifiques présents dans le périmètre Paris-Saclay mais aussi au niveau national et européen.

Ils bénéficieront pour cela de séances de travaux expérimentaux conséquents (une centaine d’heures par étudiant) effectués directement auprès des grands équipements présents dans le périmètre Paris-Saclay. On peut citer entre autres le Synchrotron SOLEIL, le centre de protonthérapie d’Orsay, les lasers de puissance des laboratoires LULI, LOA, LASERIX, IOGS, les dispositifs PHIL (LAL) et IPHI (IRFU). A cette découverte concrète des grands équipements s’ajouteront des visites dans les laboratoires européens CERN, LMJ, ITER.

Un accent particulier sera mis sur les aspects managériaux de la gestion des grands projets et des grandes installations : un cours spécifique sera ainsi consacré à la conduite de projet, aux normes de sécurité à la construction et à l’exploitation, à l’accueil d’utilisateurs par exemple.

Enfin, le stage d’une durée de 6 mois, compatible avec le format de stage de fin d’études d’école d’ingénieurs, et effectué sur une grande installation de recherche ou chez un industriel partenaire, parachève cette formation. Certains étudiants pourront alors entreprendre un doctorat tandis que d’autres s’orienteront directement vers des postes de gestion de projet ou de maintenance de grandes installations au titre d’ingénieurs de recherche dans les organismes publics ou privés, ou dans l’industrie.
Les cours seront donnés par des ingénieurs, chercheurs et enseignants-chercheurs spécialistes reconnus de leur domaine et acteurs des grandes installations de recherche.

Conscient des liens étroits entre les techniques utilisées en fusion et sur les accélérateurs, le Master-2 GI-PLATO a pour ambition pédagogique de former des gens polyvalents avec un enseignement équilibré, comme proposé par les grandes écoles du plateau de Saclay, abordant physique fondamentale et physique appliquée, physique et ingénierie, et visant à donner une formation approfondie sur l’ensemble du spectre d’activités toutes interconnectées représentées ci-dessous. Formation destinée à des étudiants qui se projettent ou comme chercheur physicien ou comme ingénieur physicien, ou bien futur théoricien au fait des moyens de contrôle des expériences et inversement de former des physiciens spécialisés connaissant l’instrumentation et les enjeux de leurs mesures. Rassemblant Université et Grandes écoles et l’institut INSTN du CEA, organisme national très investi de par son ADN original dans les grands programmes discutés précédemment et les grandes infrastructures de recherches associées, ce master est animé par des enseignants de formation docteur en physique et/ou ingénieur, via un double cursus Grande école – Université, de statuts variés, chercheurs des universités, écoles, ou organismes nationaux et, bien entendu pour assurer la légitimité de leur enseignement au niveau Master-2, engagés au quotidien dans ces thématiques.

Les plasmas au sein des grands instruments 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. La conception, la construction, l’exploitation et la gestion de telles installations nécessitent des équipes d’ingénieurs / chercheurs aux compétences pluridisciplinaires, une expertise en ingénierie, technologie et physique telle qu’ils puissent dialoguer et consacrer leur temps aux utilisateurs.

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 ministère français de la recherche fournit un autre panorama des infrastructures de recherche pour la recherche française.

Ces grands instruments qui créent artificiellement des plasmas ayant un intérêt terrestre que ce soit pour l’énergie, pour l’imagerie sous rayonnement pénétrant ou pour induire des réactions subatomique, mais aussi ayant un intérêt plus fondamental, que l’on retrouve dans des contextes non terrestres, en particulier les étoiles. Les faisceaux circulant dans les accélérateurs à des énergies relativistes considérables (TeV au CERN pour exemple) permettent des projets en astroparticules domaine ayant sa propre dynamique et ses propres programmes sur l’origine de l’univers ce qui donnent lieu à d’autres formations de master-2. Les plasmas de tokamaks sont des plasmas qui représentent des problématiques de lignes de champs magnétiques qui peuvent s’ouvrir et se reconnecter comme dans le soleil. Les plasmas créés par impulsions laser intense permettent de recréer des conditions de cœur d’étoile ou bien d’explosion de supernovae simulant à l’échelle de la nanoseconde des comportements stellaires de milliers d’années. Des jets de plasmas, des cœurs hydrogénés de planète, des jets de plasma, des accélérations d’ions par choc non collisionnel sont autant de situations qui couplent les plasmas artificiels des grandes infrastructures de recherche et les plasmas naturels. Ces derniers eux aussi ont leur propre programme, leurs propres instruments, leurs missions spatiales qui relèvent d’autres formations de master-2.

Tokamak West (Cadarache). Crédit CEA

Accélérateur d’ions lourds (GANIL-Caen). Crédit GANIL