Le Master 2 Physique des Plasmas et de la Fusion (PPF) est l’unique Master généraliste au niveau national qui propose des enseignements fondamentaux en physique des plasmas et dont l’objectif est de former des scientifiques et des ingénieurs de haut niveau, aptes à s’investir dans des programmes de recherche sur les plasmas, qu’ils soient naturels ou bien artificiels, froids ou chauds, dilués ou denses.
Ce Master généraliste offre aux étudiants de larges possibilités de choix et d’orientation parmi les nombreuses thématiques de la physique des plasmas, leur permettant ainsi de construire pas à pas et en connaissance de cause leur projet professionnel tout au long de l’année universitaire. Il est commun à différents établissements dont l’Université Paris-Saclay (UPSAy), l’Université Sorbonne Université (SU) et l’Institut Polytechnique de Paris (IPP).
L’année universitaire se structure en différentes étapes résumées par le schéma ci-dessous.
Après un enseignement fondamental dispensé à tous les étudiants pour leur inculquer les notions de base en physique des plasmas (tronc commun), des cours optionnels traitant des différentes thématiques ou « colorations » de la discipline leur sont proposés: physique des plasmas naturels (Plasmas Spatiaux et Astrophysiques), des plasmas de procédés (Plasmas dits « industriels »), des plasmas thermonucléaires (Plasmas de fusion magnétique ou inertielle) ou des plasmas issus de l’interaction laser-matière (Plasmas-lasers), dont une description plus détaillée est donnée ci-dessous.
L’ensemble de ces cours sont abordés de façon théorique et fondamentale, mais aussi du point de vue de l’expérimentation, de la simulation numérique et de la modélisation. Ils permettent aux étudiants d’acquérir une expertise dans différents domaines pluridisciplinaires (plasma/santé, plasma/environnement, plasma/énergie, plasma/espace, etc), mais aussi d’être initiés aux technologies innovantes les plus actuelles et aux grands projets nationaux et internationaux tels que le Tokamak ITER, les Lasers MegaJoule, Apollon ou Petal, ou encore les missions spatiales présentes et futures (Parker Solar Probe/NASA, Solar Orbiter ESA/NASA, etc).
Ces options ou « colorations » sont suivies de cours dits de « spécialisation », qui permettent aux étudiants d’approfondir leurs connaissances de façon plus pointue, dans l’optique de leur stage de recherche, dont la durée de 5 à 6 mois est compatible avec le format de stage de fin d’études des écoles d’ingénieurs. Effectué dans un laboratoire de recherche en France ou à l’étranger, dans le milieu académique ou chez un industriel partenaire, ce stage parachève le Master qui ouvre alors sur un Doctorat (pour la majorité des étudiants) ou directement sur un emploi dans l’industrie.
Les quatre « colorations » ou domaines de recherche de la physique des plasmas sont les suivants :
Coloration (i) : Plasmas Spatiaux et Astrophysiques
La matière visible étant constituée à 99% de plasma, l’étude de cet état de la matière est d’une importance capitale pour la compréhension des phénomènes physiques qui se déroulent dans notre environnement immédiat (l’Héliosphère) ou lointain (le Cosmos).
Ainsi, les nombreux processus physiques qui s’y manifestent permettent d’étudier les aspects les plus fondamentaux et les plus actuels de la physique. Les plasmas s’y trouvent sous différentes conditions extrêmes, allant de milieux très denses (cœurs des étoiles, environnements des trous noirs, quasars, …) à très dilués (espaces interplanétaires, voir interstellaires ou intergalactiques,…). Ces différents états se caractérisent par des températures, des densités et des magnétisations s’étendant sur des dizaines d’ordres de magnitude, nécessitant par là l’introduction de différentes échelles spatio-temporelles et le développement d’approches théoriques diversifiées et complémentaires. Il est très difficile voire impossible de reproduire la plupart de ces plasmas en laboratoire ; ceux-ci restent néanmoins indispensables pour comprendre des phénomènes physiques tels que la conversion et la propagation de l’énergie (reconnexion magnétique, dissipation, turbulence, …), les processus d’accélération de particules (rayons cosmiques, faisceaux énergétiques, ondes de choc, …) et de génération de champs électromagnétiques (effet dynamo, instabilités, …).
D’autre part, de nombreuses applications s’avèrent très importantes : la propulsion par plasma, l’instrumentation spatiale, la navigation des satellites, les communications par ondes, le chauffage ionosphérique, la rentrée atmosphérique, etc. Actuellement, l’étude de notre Soleil est en pleine évolution avec le lancement en 2018 et 2020 des deux missions spatiales internationales Solar Orbiter (ESA/NASA) et Parker Solar Probe (NASA) qui ouvriront de nouveaux horizons. En particulier, depuis quelques années, une nouvelle discipline a vu le jour, la Météorologie de l’Espace, qui étudie les éruptions solaires et dont le but est de prédire leur impact sur nos sociétés modernes de plus en plus dépendantes de nos moyens électroniques.
Coloration (ii) : Plasmas créés par Laser et fusion inertielle
Les plasmas peuvent être créés en laboratoire en utilisant de puissants lasers focalisés sur des cibles gazeuses ou solides. En fonction des paramètres physiques et techniques des lasers et des cibles, une grande variété de plasmas peut être créée.
Lors de l’utilisation d’impulsions laser «longues» d’une durée de plusieurs nanosecondes (~10-9s) et de très haute énergie, le plasma peut être fortement chauffé et comprimé jusqu’à un état extrême de température et de densité où la production d’énergie par fusion thermonucléaire devient possible. Dans ce régime à Haute Densité d’Energie (HED), la recherche se concentre également sur divers problèmes fondamentaux. Par exemple, des expériences en laboratoire sont conçues pour modéliser des phénomènes astrophysiques naturels se produisant à l’intérieur des étoiles, des planètes des ejecta de supernovae où des chocs radiatifs sont observés et l’origine des rayons cosmiques étudiée.
Lorsque des impulsions « courtes » d’une durée d’une femtoseconde (~10-15s) sont utilisées, on peut atteindre le régime d’interaction laser-plasma à Ultra-Haute Intensité (UHI), également appelé « régime relativiste » car les électrons parviennent à des vitesses relativistes en oscillant dans le champ électromagnétique du laser. Ce régime, qui ouvre la voie à l’accélération de particules et à la production de faisceaux de rayons X, pourrait être une nouvelle voie vers l’élaboration d’accélérateurs de particules miniatures. Cette physique est devenue accessible grâce aux progrès de la technologie laser, suite à l’invention de la technique CPA (Chirped Pulse Amplification où Amplification par Dérive de Fréquence), récompensée par le prix Nobel en 2018.
Sur le plateau de Saclay, plusieurs installations laser sont présentes à l’échelle universitaire; elles permettent de développer des programmes expérimentaux d’interaction laser-plasma à très haute intensité et haute densité énergétique (dans les laboratoires LOA, LULI, CEA Saclay). Actuellement, le laser multipetawatt APOLLON est en phase de finalisation et fournira des intensités d’énergie sans précédent, permettant d’accéder à de nouveaux régimes où l’électrodynamique quantique et la physique des plasmas se rejoindront. Des installations similaires devraient bientôt être achevées en Europe, comme les lasers ELI. Ces installations sont complémentaires de la plupart des lasers énergétiques existant dans le monde, comme le Laser MegaJoule de Bordeaux (LMJ) et le National Ignition Facility (NIF) aux Etats-Unis.
Le Master PPF fournit aux étudiants les concepts et les outils indispensables à l’étude des plasmas créés par laser, en lien étroit avec les recherches effectuées dans les laboratoires de la région parisienne (LULI, LOA, LCPMR, INSP, CPHT, LPGP).
Colorations (iii) : Fusion thermonucléaire magnétique
Dans nos sociétés de plus en plus énergivores et soumises au réchauffement climatique, la fusion thermonucléaire par confinement magnétique est actuellement un sujet d’intérêt majeur, à la fois sur le plan scientifique et sociétal.
Le Tokamak ITER, construit à Cadarache, vise à démontrer la faisabilité de la fusion thermonucléaire.
À partir de 2025, le Tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) permettra d’étudier le premier plasma thermonucléaire entretenu sur de longs temps de confinement.
En amont de ce projet international, la recherche fondamentale sur les plasmas de fusion par confinement magnétique fait appel à toute une panoplie de modélisations théoriques permettant de décrire la complexité de tels plasmas de très haute température :
– la MagnétoHydroDynamique (MHD) et la théorie des dérives, indispensables pour comprendre le principe du Tokamak (acronyme russe signifiant « chambre toroïdale à confinement magnétique »), et maîtriser le confinement d’un plasma,
– la Théorie cinétique, ainsi que la physique des interactions ondes-particules et de la propagation des ondes sont des outils de modélisation nécessaires pour étudier le chauffage des plasmas jusqu’à des températures optimales pour la fusion, de l’ordre de centaines de millions de degrés Kelvin.
– la théorie des instabilités se développant dans les plasmas de tokamak permet de comprendre la turbulence et le transport de chaleur qu’elles engendrent, pour améliorer le confinement du plasma.
L’approche théorique se conjugue à la simulation numérique, sur des calculateurs massivement parallèles, ou sur des moyens de calcul plus raisonnables, en utilisant des modèles réduits.
En parallèle, pour sonder et caractériser le plasma très chaud propice aux réactions de fusion, une grande variété de diagnostics ont été développés dont l’importance est primordiale pour le pilotage d’un système aussi complexe que le Tokamak ITER. D’ores et déjà ceux-ci ont permis des avancées significatives dans la compréhension de nombreux phénomènes à l’oeuvre dans les plasmas de fusion magnétique, comme par exemple la transition entre modes de bas et de haut confinement.
Le Master PPF fournit les bases fondamentales pour l’étude des phénomènes physiques de fusion thermonucléaire par confinement magnétique, à la fois sur le plan théorique, numérique et expérimental, sans négliger les méthodes de diagnostics et les aspects plus technologiques.
Coloration (iv) : Plasmas Froids et de procédés
Les plasmas froids sont des gaz faiblement ionisés qui, à l’inverse des plasmas de fusion, sont en état permanent de déséquilibre thermodynamique. Composés d’une part d’électrons énergétiques et d’autre part d’espèces lourdes (ions, métastables et espèces radiatives, radicaux libres) à basse température mais fortement excitées et réactives, ces plasmas présentent des propriétés physiques et chimiques fortement non linéaires, couplées et hors-équilibre.
Dépôt contrôlé de films nanostructurés diélectriques sur substrat métallique par procédé plasma à couplage inductif en SF6.
Ils sont créés par des champs électromagnétiques continus, impulsionnels ou alternatifs, appliqués à des géométries d’électrodes et de réacteurs très variées, dans des milieux plasmagènes allant des gaz rares aux liquides en passant par des mélanges de molécules complexes. On parle alors de plasmas à couplage inductif, de décharges nanosecondes, de plasmas jets, de décharges à barrière diélectrique ou encore de plasmas de décharges HF ou micro-ondes. Cette variété offre des perspectives d’études fondamentales importantes, qu’elles soient expérimentales ou de modélisation : transferts et couplages d’énergie, dynamique de propagation d’ondes d’ionisation, cinétique hors équilibre, interactions plasma-surface, … Les échelles spatio-temporelles de ces études s’étendent du micron à plusieurs dizaines de centimètres et de la nanoseconde à la seconde ; elles nécessitent des techniques de mesure hautement résolues (spectroscopie d’émission, diagnostics lasers avancés, sondes électriques, …) et des modèles de simulation performants (modèles fluides ou particulaires (Particle-In-Cell), de dimensions et géométries diverses.
Au-delà de l’approche fondamentale, les plasmas froids sont étudiés pour répondre aux grands enjeux sociétaux et scientifiques de demain (environnement, énergie, spatial, santé, …), par leur intégration et leur optimisation dans des procédés et des applications industrielles innovants. A titre d’exemple, la propulsion électrique par plasma froid fait l’objet de nombreux travaux de recherche et d’innovation (PEGASE/I2, Propulseur à Effet Hall, …) afin de relever les défis posés par les missions spatiales de type nano-satellites, de vol habité ou encore de robotique exploratoire. Un autre grand domaine d’application est la micro-électronique (synthèse de composants par dépôt ou gravure par plasma) et plus généralement le génie des matériaux où les plasmas sont étudiés pour fonctionnaliser, texturer ou encore nettoyer des surfaces.
Dans un contexte d’urgence climatique et d’épuisement des ressources, les applications énergétiques et environnementales ont également un fort intérêt, comme l’étude de la rentrée atmosphérique, de la combustion assistée par plasma, du traitement des effluents gazeux et liquides, ou de la réduction des émissions de CO2. Enfin, les plasmas froids offrent des perspectives très prometteuses dans le domaine du vivant avec le développement de dispositifs thérapeutiques à jets de plasma pour la cancérologie, la dermatologie ou la décontamination. Très récemment, les procédés plasma sont étudiés en agriculture pour enrichir l’eau en espèces réactives et améliorer la croissance agronomique.
Débouchés
Le Master PPF couvre tous les domaines scientifiques relatifs aux plasmas et aux milieux ionisés. Il ouvre ainsi aux métiers de chercheur, d’enseignant-chercheur ou d’ingénieur dans le domaine de la recherche fondamentale ou appliquée, au sein de nombreux laboratoires universitaires, des Ecoles d’Ingénieurs, des organismes publics tels que le CNRS, le CEA, l’ONERA, le CNES ou encore des entreprises ayant une forte composante “Recherche et Développement” (Alcatel, Air Liquide, Thalès, EDF, IBM, PSA, Renault, Saint-Gobain, EADS, Safran, Snecma….).
Le débouché naturel est la préparation d’une thèse de doctorat, dans le cadre d’un contrat financé par une Ecole Doctorale d’un établissement d’enseignement supérieur, par les organismes de recherche publics ou privés, ou encore par des contrats CIFRE avec une entreprise. L’obtention du doctorat permet, après un post-doctorat effectué en général à l’étranger, d’intégrer l’enseignement supérieur, en tant que Maître de Conférences, ou les organismes de recherche et les entreprises, en tant que chercheur ou ingénieur “Recherche et Développement”.