La Russie allume un laser géant pour tester ses armes nucléaires

Andy Extance

Dans la ville fermée de Sarov, à environ 350 kilomètres à l'est de Moscou, des scientifiques sont occupés à travailler sur un projet visant à maintenir les armes nucléaires russes opérationnelles dans le futur. À l'intérieur d'une immense installation de 10 étages et couvrant la superficie de deux terrains de football, ils construisent ce qui est officiellement connu sous le nom d'UFL-2M - ou, comme les médias russes l'ont surnommé, le "Tsar Laser". S'il est terminé, ce sera le laser à la plus haute énergie au monde.

Les lasers à haute énergie peuvent concentrer l'énergie sur des groupes d'atomes, augmentant la température et la pression pour déclencher des réactions nucléaires. Les scientifiques peuvent les utiliser pour simuler ce qui se passe lorsqu'une ogive nucléaire explose. En créant des explosions dans de petits échantillons de matière - soit des échantillons de recherche, soit de minuscules quantités d'armes nucléaires existantes - les scientifiques peuvent alors calculer les performances d'une bombe à part entière. Avec une vieille ogive, ils peuvent vérifier qu'elle fonctionne toujours comme prévu. Les expériences au laser permettent de tester sans lâcher une arme nucléaire. "C'est un investissement substantiel de la part des Russes dans leurs armes nucléaires", déclare Jeffrey Lewis, chercheur sur la non-prolifération nucléaire au Middlebury Institute of International Studies en Californie.

Jusqu'à présent, la Russie était la seule parmi les puissances nucléaires les mieux établies à ne pas disposer d'un laser à haute énergie. Les États-Unis ont leur National Ignition Facility (NIF), actuellement le système laser le plus énergétique au monde. Ses 192 faisceaux distincts se combinent pour fournir 1,8 mégajoules d'énergie. Vu sous un certain angle, un mégajoule n'est pas une quantité énorme, c'est l'équivalent de 240 calories alimentaires, comme un repas léger. Mais concentrer cette énergie sur une zone minuscule peut créer des températures et des pressions très élevées. La France a quant à elle son Laser Mégajoule, avec 80 faisceaux délivrant actuellement 350 kilojoules, bien qu'elle vise à avoir 176 faisceaux délivrant 1,3 mégajoules d'ici 2026. Le laser britannique Orion produit 5 kilojoules d'énergie ; Laser chinois SG-III, 180 kilojoules.

S'il est terminé, le Tsar Laser les surpassera tous. Comme le NIF, il devrait avoir 192 faisceaux, mais avec une puissance combinée plus élevée de 2,8 mégajoules. Actuellement, cependant, seule sa première étape a été lancée. Lors d'une réunion de l'Académie des sciences de Russie en décembre 2022, un responsable a révélé que le laser possédait 64 faisceaux dans son état actuel. Leur production totale est de 128 kilojoules, soit 6 % de la capacité finale prévue. La prochaine étape serait de les tester, a déclaré le responsable.

Lorsqu'il s'agit de construire des lasers pour provoquer des réactions nucléaires, "plus ils sont gros, mieux c'est", déclare Stefano Atzeni, physicien à l'Université de Rome, en Italie. Les installations plus grandes peuvent produire des énergies plus élevées, ce qui signifie que les matériaux peuvent être soumis à des températures ou des pressions plus élevées, ou que de plus grands volumes de matériaux peuvent être testés. L'élargissement des limites des expériences donne potentiellement aux chercheurs nucléaires des données plus utiles.

Dans des expériences, ces lasers projettent leurs matériaux cibles dans un état de matière à haute énergie appelé plasma. Dans les gaz, les solides et les liquides, les électrons sont généralement étroitement liés au noyau de leurs atomes, mais dans le plasma, ils se déplacent librement. Les plasmas émettent des rayonnements électromagnétiques, tels que des éclairs de lumière et des rayons X, et des particules telles que des électrons et des neutrons. Les lasers ont donc également besoin d'un équipement de détection capable d'enregistrer quand et où ces événements se produisent. Ces mesures permettent ensuite aux scientifiques d'extrapoler le comportement d'une ogive pleine.

Jérémy Blanc

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Jusqu'à présent, l'absence d'un tel laser par la Russie n'a pas été un grand inconvénient pour assurer le fonctionnement de ses armes. C'est parce que la Russie s'est engagée à refaire continuellement des "fosses" de plutonium, les noyaux explosifs trouvés dans de nombreuses armes nucléaires, nommés d'après les noyaux durs de fruits comme les pêches. Si vous pouvez facilement remplacer les anciennes fosses explosives par de nouvelles, il est moins nécessaire d'utiliser des lasers pour vérifier à quel point ils se sont dégradés au fil des ans. "Aux États-Unis, nous reconstruirons également nos armes nucléaires, sauf que nous n'avons pas la capacité de produire un grand nombre de puits", déclare Lewis. La plus grande usine de production américaine, à Rocky Flats, Colorado, a fermé en 1992.

Les chercheurs utilisent des lasers dans les essais d'armes nucléaires depuis au moins les années 1970. Au début, ils les ont combinés avec des tests souterrains d'armes réelles, en utilisant les données des deux pour construire des modèles théoriques du comportement du plasma. Mais après que les États-Unis ont cessé de tester des armes nucléaires en direct en 1992 alors qu'ils cherchaient à obtenir un accord sur le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires, ils sont passés à une "gestion scientifique des stocks" - à savoir, en utilisant des simulations de supercalculateurs d'ogives qui explosent pour évaluer leur sécurité et leur fiabilité. .

Mais les États-Unis et d'autres pays suivant cette approche devaient encore tester physiquement certaines matières nucléaires, avec des lasers, pour s'assurer que leurs modèles et simulations correspondaient à la réalité et que leurs armes nucléaires tenaient le coup. Et ils doivent encore le faire aujourd'hui.

Ces systèmes ne sont pas parfaits. "Les modèles qu'ils utilisent pour prédire le comportement des armes ne sont pas entièrement prédictifs", explique Atzeni. Il y a diverses raisons à cela. La première est qu'il est extrêmement difficile de simuler des plasmas. Une autre est que le plutonium est un métal étrange, différent de tout autre élément. Exceptionnellement, à mesure qu'il se réchauffe, le plutonium passe par six formes solides avant de fondre. Dans chaque forme, ses atomes occupent un volume très différent du précédent.

Néanmoins, en plus de faire exploser des bombes, les expériences au laser offrent le meilleur moyen de prédire les performances des armes nucléaires. Les États-Unis ont terminé le NIF en 2009 et ont commencé à faire briller leurs faisceaux sur de fines cibles de plutonium de la taille d'une graine de pavot en 2015. Cela a permis aux scientifiques de comprendre mieux que jamais ce qui se passait à l'intérieur d'une arme.

Les expériences au laser peuvent également montrer comment les matériaux situés à proximité des puits radioactifs des ogives se dégradent et réagissent au cours de leur durée de vie de plusieurs années. Les informations provenant d'expériences peuvent également aider à révéler comment ces matériaux se comportent dans les températures et les pressions extrêmes d'une détonation nucléaire. De telles expériences sont "indispensables" pour la conception et l'ingénierie des composants d'armes nucléaires, déclare Vladimir Tikhonchuk, professeur émérite au Centre des lasers intenses et applications de l'Université de Bordeaux, France.

Tikhonchuk suit les progrès du Tsar Laser depuis qu'il l'a vu présenté lors d'une conférence en 2013, l'année suivant son annonce initiale. Il s'est entretenu pour la dernière fois avec des scientifiques de Sarov lors d'une université d'été à Nizhny Novgorod, à proximité, en 2019. Il est sceptique quant à l'achèvement du laser par la Russie.

La Russie a certainement le pedigree scientifique. Il a de l'expérience en tant que partenaire dans la construction de grandes installations scientifiques, telles que le réacteur de fusion nucléaire expérimental ITER de plusieurs milliards de dollars à Cadarache, en France, note Tikhonchuk. La Russie a également fourni des composants à deux installations en Allemagne, le laser européen à rayons X à électrons libres à Hambourg et l'installation de recherche sur les antiprotons et les ions à Darmstadt. Et les scientifiques de l'Institut russe de physique appliquée ont développé la technologie de croissance cristalline rapide utilisée dans les lentilles du NIF et "dans la construction de tous les gros lasers", a déclaré Tikhonchuk.

Mais Tikhonchuk pense que la Russie aura du mal maintenant car elle a perdu une grande partie de l'expertise nécessaire, les scientifiques se déplaçant à l'étranger. Il note que les réseaux de faisceaux du Tsar Laser sont très grands, à 40 centimètres de diamètre, ce qui pose un défi important pour la fabrication de leurs lentilles. Plus l'objectif est grand, plus il y a de chances qu'il y ait un défaut. Les défauts peuvent concentrer l'énergie, chauffer et endommager ou détruire les lentilles.

Le fait que la Russie développe le laser Tsar indique qu'elle veut maintenir son stock nucléaire, dit Lewis. "C'est un signe qu'ils prévoient que ces choses dureront longtemps, ce qui n'est pas génial." Mais si le laser est terminé, il voit une lueur d'espoir dans la décision de la Russie. "Je suis assez inquiet que les États-Unis, la Russie et la Chine reprennent les essais d'explosifs." L'investissement de Tsar Laser pourrait plutôt montrer que la Russie pense qu'elle dispose déjà de suffisamment de données sur les essais nucléaires explosifs, dit-il.

WIRED a approché le NIF et ROSATOM, la société russe d'énergie atomique, pour cette histoire, mais ils n'ont fait aucun commentaire.