Master de Physique Mention Physique Fondamentale et Appliquée

Année 2006-2007 http://ipnweb.in2p3.fr/rayonnements-energie

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En co-habilitation avec l’ Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires

CEA – INSTN :

Rayonnements

et

Energie

ECOLE DOCTORALE : RAYONNEMENTS ET ENVIRONNEMENT (Paris XI)

Dans le cadre des masters (R et P) de l’Université PARIS SUD:

Master de Physique

Mention Physique Fondamentale et Appliquée

R&E Rayonnements et Energie


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Rayonnements et Energie

Responsables de la formation : Nicole WILLIS (Paris-Sud) Cheikh DIOP (CEA/IDEN)

Responsables des parcours types définis au sein de la spécialité : Parcours Modélisation et Instrumentation en Physique : P . Desesquelles (CSNSM) Parcours Physique des Réacteurs : C. Diop (CEA-DEN) Parcours Production d’énergie et Energies renouvelables : C. Dang Vu (LIMSI) Parcours Grands Instruments : P. Puzo (LAL) Contacts Secrétariats : Université PARIS-SUD-IPN Christiane Martelle-Robin Tél : 01.69.15.64.74

E-mail : [email protected]

CEA - INSTN Marie-Thérèse PLANA Tél : 01.69.08.42.32 E-Mail : [email protected]


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Objectifs scientifique, pédagogique et professionnel La spécialité « Rayonnements et Energie » a pour objectif de donner aux étudiants une formation large à la fois scientifique et technologique dans des domaines de pointe comme la physique nucléaire et la physique des particules, les accélérateurs de particules, les plasmas et la fusion thermonucléaire, la fission et la physique des réacteurs, les énergies nouvelles et les énergies renouvelables.

. La formation aux techniques expérimentales et aux méthodes de simulation se fait donc dans un large éventail de domaines qui relèvent principalement de l’utilisation des rayonnements. Certaines nouvelles techniques de production de l’énergie sont aussi étudiées. L’enseignement fait appel à des intervenants spécialistes dans ces domaines et met l’accent sur le traitement du signal, les méthodes d’analyse de données et la modélisation. Les étudiants sont mis en contact avec des équipes de recherche. Ils effectuent un stage à partir du mois de mars, dans un laboratoire public ou une entreprise industrielle, et sont confrontés aux problèmes de conduite de projet et de communication en milieu international ou industriel.

Les étudiants développent ainsi une autonomie de travail qui leur permet de s’intégrer, après cette spécialité, aussi bien dans une PMI, dans un grand groupe industriel (EDF, COGEMA etc ..) que dans une équipe de recherche. Les secteurs suivants leur sont en particulier ouverts :

Recherche publique ou privée : Chercheurs ou ingénieur de recherche (CNRS, CEA etc..) Préparation d’une thèse dans un laboratoire (allocation de Bourses du Ministère de la recherche, Contrat de Formation par la Recherche, bourses diverses - BDI, Cifre etc…) Enseignement Supérieur

Industrie

Domaine de la mesure (Développement des détecteurs) et Simulations sur ordinateur, traitement des données. Industrie Nucléaire Energies nouvelles.


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Enseignement : Cadre : Réforme LMD (Harmonisation des enseignements en Europe)

Cette spécialité est actuellement rattachée au Master de Physique, Mention Physique Fondamentale et Appliquée dont elle constitue la deuxième année. Un certain nombre d’unités d’enseignement (de ~ 50 heures et ~ 7 ECTS) sont proposés aux étudiants pour constituer un « parcours » (norme européenne : 60 ECTS, « crédits européens ») et valider l’ensemble des deux années de master (120 ECTS).

Trois parcours types leur sont proposés comprenant trois unités de tronc commun (en rouge dans le tableau ci-dessous) et un stage obligatoire (17 ECTS) dans un laboratoire ou en industrie à partir de fin Mars (susceptible de déboucher sur une thèse). Trois autres unités sont optionnelles et définissent le parcours. Un ensemble de séminaires généraux doit être également suivi par l’ensemble des étudiants .

Parcours Unités et semestre Nombre d’ECTS

Modélisation et instrumentation en

Physique

Physique des Réacteurs

Production d’énergie et

énergies renouvelables

Grands Instruments

8 ECTS Interactions particules-matière

(1ier semestre)

Interactions particules-

matière (1ier semestre)

Interactions particules-

matière (1ier semestre)

8 ECTS Modélisations-Simulations

(1ier semestre)

Modélisations-Simulations

(1ier semestre)

Modélisations-Simulations

(1ier semestre)

7 ECTS Plasmas-Fusion Thermonucléaire

(1ier semestre)

Physique des réacteurs

(1ier semestre)

Physique des réacteurs

(1ier semestre)

7 ECTS Détection et analyse (1ier semestre)

Détection et analyse

(1ier semestre)

Plasmas-Fusion Thermonucléaire

(1ier semestre)

8 ECTS Accélérateurs et Dynamique des

particules chargées (2ième semestre)

Physique neutronique

(2ième semestre)

Energies renouvelables

(2ième semestre)

7 ECTS Module d’application (2ième semestre)

Module d’application

(2ième semestre)

Module d’application

(2ième semestre)


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PROGRAMMES DES UNITES D’ENSEIGNEMENT ET INTERVENANTS DANS LES ELEMENTS CONSTITUTIFS P-R&E-501A / U.E. 1 Cette U.E. est commune aux master de Physique médicale (25h, 3ECTS, première partie) et au Master Environnement. Titre Interaction particule-matière Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 8 ECTS Enseignants : B. Berthier (ParisXI-IPN), S. Pitre (ParisXI-IPN) et N. Willis (ParisXI-IPN) Programme

Les interactions fondamentales. La matière. Cinématique relativiste. Relation masse énergie. Sections efficaces d’interaction Interaction des différentes particules chargées et neutres avec la matière Préparation de sources et de cibles. Dosimétrie et radioprotection. Notions de risque.

P-R&E-502A / U.E. 2 Cette U.E. est commune aux master de Physique médicale (25h, 3ECTS, première partie) et au Master Environnement. Titre Modélisations-Simulations Volume horaire 50 h en deux fois 25 h Nombre d’unités ECTS 8 ECTS Enseignants : F. Jedrzejewski (INSTN), P. Desesquelle ( Paris XI-CSNSM)+ …. Programme

Simulation des équations de la physique par des techniques numériques Modélisation et Simulation Aléatoires

Méthodes de Monte-Carlo (25 h) • Rappel sur le langage C, concepts de programmation et les systèmes d’exploitation • Présentation de la méthode de Monte-Carlo. Historique • Génération de nombres pseudo-aléatoires. Intégration par Monte-Carlo • Echantillonnages (simple, stratifiés,etc.) • Fonction d’importance. Vitesse de convergence. Splitting • Réduction de variance. Biaisage. Méthodes de pondération


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• Méthodes quantiques de Monte-Carlo - Méthodes variationnelles (VMC) - Méthodes de diffusion (DMC) - Méthodes utilisant l’intégrale de Feynman (PIMC)

• Présentation de logiciels • Applications au domaine médical

La réalisation d’un projet est incluse dans le cours. Equations et algorithmes stochastiques pour la physique (25 h)

• Traitements de données. Analyse multidimensionnelle • Réseaux de neurones • Etude et mise en œuvre d’algorithmes stochastiques sur trois équations de la physique. • Résolution numérique.

o Equation de Boltzmann (Evolution d’une population de neutrons) o Equation de Korteweg de Vries stochastique (Solitons) o Equation de transport (Faisceau de particules chargées)

La réalisation d’un projet est incluse dans le cours. Par exemple et en fonction des parcours souhaités de l’élève :

• Vibrations aléatoires d’une plaque élastique • Propagation d’ondes à la surface des océans • Modèles de tremblements de terre

P-R&E-503A / U.E. 3 Titre Physique des Réacteurs Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 7 ECTS Enseignants :L. Tassan Got – S. David (Paris XI – IPN) , R. Jacqmin, J. Safieh (CEA-INSTN), Programme

• Physique nucléaire : noyau, forces et modèles nucléaires, réactions nucléaires, fission, sections efficaces neutroniques, résonances (6h) • Physique neutronique : flux, spectre, taux de réaction, bilan neutronique, diffusion, ralentissement, thermalisation, absorption des neutrons, effet Doppler, effets de température, équation de la diffusion, théorie multigroupe, autoprotection, évolution des noyaux, cinétique. (24h) • Physique des écoulements et des échanges thermiques en réacteur (8h) • Métallurgie nucléaire ; comportement des matériaux sous irradiation. (6h) • Filières de réacteurs et cycle du combustible nucléaire (3h) • Fonctionnement et contrôle des réacteurs (3h) •


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Séminaires associés • Energie et programmes électronucléaires (2h) • Sûreté des installations nucléaires et radioprotection. (2h)

P-R&E-504A / U.E. 4 Titre Plasmas-Fusion thermonucléaire Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 7 ECTS Enseignants : F. Amiranoff (CNRS/LULLI -E.Polytechnique),P. Puzo (LAL-Université ParisXI) Programme

I- Rappels d' ELECTROMAGNETISME CLASSIQUE P. Puzo (10h)

1 Equations de base de l'électromagnétisme classique

2 Ondes 3 Guides d'ondes et cavités résonnantes

II PHYSIQUE DES PLASMAS CHAUDS F. Amiranoff (CNRS-LULLI-Ecole Polytechnique) P. Mounnaix (CNRS-CPHT-Ecole Polytechnique) (25h)

1. Introduction 2. Propriétés élémentaires des plasmas. Classifications. 3. Description des plasmas sans collision 4. Ondes dans les plasmas : description fluide 5. Ondes dans les plasmas : description cinétique 6. Couplages non-linéaires d'ondes 7. Lasers de Puissances et Applications

III Plasmas Magnétisés Pascale Hennequin (CNRS/LPTP-Ecole Polytechnique) (15 h) 1. Trajectoires de particules en champs E et B, miroirs, dérives 2. Invariants adiabatiques, application à la Fusion Contrôlée 3. Equilibre MHD 4. Stabilité 5. Transport 6. Ondes pour chauffage et diagnostics P-R&E-521B / U.E. 5 Titre - Accélérateurs et Dynamique des particules chargées Nombre d’unités ECTS 7 ECTS

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Enseignants : A. Tkatchenko ( Paris XI-IPN), P. Puzo ( Paris XI-LAL), N. Pichoff ( CEA- Bruyères Le Châtel) Programme U.E.5A (25h) Introduction à la dynamique des particules chargées dans les accélérateurs et les lignes de transport. 1- Mouvement transverse (10h + 4h) A. Tkatchenko Mouvement transverse d’une particule dans une structure magnétique. Caractéristiques du champ magnétique transverse dans les électroaimants de guidage et de focalisation. Développement du champ magnétique à plan d’antisymétrie autour d’une trajectoire de référence. Equations du mouvement autour de la trajectoire de référence. Solutions des équations dans l’approximation linéaire. Matrices de transfert des éléments optiques parfaits. Effet des termes non linéaires, aberrations du second ordre. Mouvement d’un faisceau de particules. Espace des phases et émittance. Fonction enveloppe, formalisme matriciel de transport du faisceau et progression de phase bétatron. Influence de la dispersion en énergie dans les systèmes chromatiques. Notion de résolution. Stabilité du mouvement bétatronique dans les structures périodiques. Propriétés des matrices de transfert d’une période. Equation de Hill et théorème de Floquet. Conditions de stabilité. Nombres d’ondes, fonctions optiques. Invariant de Courant et Snyder. Orbite fermée chromatique et « momentum compaction ».Effets des défauts de champs. 2- Accélération et mouvement longitudinal. (8h+ 3h) N. Pichoff Accélération des particules chargées. Accélération dans les champs électrostatiques, accélération par induction, accélération dans un plasma. Cavités RF à ondes stationnaires et à ondes progressives. Calcul du champ, impédance shunt. Gain d’énergie et facteur de temps de transit. Condition de synchronisme. Particule et phase synchrone. Cas des cyclotrons, des linacs et des synchrotrons. Dynamique longitudinale. Espace des phases. Particule de référence, oscillation synchrotron. Trajectoire dans l’espace des phases. Hamiltonien du mouvement, séparatrices, oscillations de faible amplitude, nombre d’ondes longitudinal. Variation du nombre d’onde longitudinal en fonction de l’amplitude. Notion d’adaptation. Amortissement adiabatique des oscillations dues à l’accélération. U.E.5B (25h) Dynamique des faisceaux en présence de rayonnement synchrotron et dynamique des faisceaux intenses. 1- Dynamique des faisceaux en présence de rayonnement synchrotron. (12h + 5h)


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P. Puzo Rappels de théorie du rayonnement synchrotron. Potentiels et champs d’une charge ponctuelle en mouvement. Puissance rayonnée. Répartition spectrale du rayonnement. Amortissement radiatif des oscillations. Oscillations en énergie. Oscillations transverses. Dimensions d’équilibre des faisceaux dans les anneaux de stockage. Equation de Fokker-Planck. Répartition longitudinale, longueur des paquets. Répartition transverse, émittances. Influence de la structure optique sur les valeurs d’équilibre. 2- Dynamique des faisceaux intenses. (6h + 2h) N. Pichoff Effet de charge d’espace dans les faisceaux continus ou groupés. Rappels sur le champ électromagnétique créé par une densité de charge, par une densité de courant. Charge et courant images, Modèle linéaire équivalent. Modélisation numérique. Dynamique du faisceau en présence de charge d’espace. Dépression des nombres d’ondes. Effet des non linéarités du champ. Notion d’adaptation, accroissement d’émittance. Interaction faisceau-environnement. Structures accélératrices des linacs de forte puissance. RFQ, cavités supraconductrices, diodes et cellules à induction. P-R&E-505A / U.E. 6) Titre Détection et analyse Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 7 ECTS Enseignants : J. Pouthas (Paris XI-IPN), M.G. Porquet (Paris XI-CSNSM),C. de La Taille (Paris XI-LAL) N. Willis (Paris XI –IPN) Programme Ce module comporterait 4 parties :

1. Méthodes expérimentales et détection Mesure et identification des particules Principaux types de détecteurs Exemples.

2. Traitement du signal Détecteurs et signaux électroniques.


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Limitations : bruit, fluctuations, capacités Filtrage Numérisation et acquisition de données.

3. Traitement des données Probabilités : notion de variable aléatoire, convergence, incertitudes, loi normale et de Poisson Statistiques : estimation, intervalles de confiance, tests du χ2

4. Illustration - Anatomie d’un grand détecteur. Des exemples seront proposés :

- INDRA : un détecteur de physique nucléaire à GANIL - Un grand détecteur de physique des particules (ALEPH, ATLAS, ALICE ) - Une expérience sur réacteur, soit à l’ILL, soit l’expérience MUSE sur MASURCA

- Modélisation d’un détecteur : Initiation à GEANT, ou à un code de description d’un réacteur P-R&E-522B / U.E. 7) Titre Physique neutronique Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 7 ECTS Enseignants : R. Jacqmin et R. Sanchez (CEA-INSTN) S. David ( IPN) Programme Module :

• Physique nucléaire pour la neutronique- mesures et évaluation des sections efficaces, représentation des résonances Théories MLBW et Reich Moore, modèle optique, théorie de la fission. (15h) • Transport des neutrons (35h) Densité de flux angulaire, équation de Photo : CEA/DEN/DM2S/SERMA Boltzmann et de Bateman, Principe de résolution Méthodes déterministes, calcul d’assemblage/calcul de cœur , théorie du mode fondamental, probabilités de collision,, autoprotection distribuée, méthode des sous groupes, équivalence.

Méthodes Sn et Pn , éléments finis, différences finies, méthodes nodales, caractéristiques, principes variationnels. Techniques de résolution numérique itérative et d’accélération. Fonction importance, théorie des perturbations. Méthode de résolution Monte-Carlo ( complément de l’unité 2)

Séminaires associés


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• Fichiers et bases de données nucléaires internationales (2h) • Autre, par ex. Théorie du bruit neutronique (2h)

P-R&E-523B / U.E. 8 Module commun avec la spécialité professionnelle « Dynamique des fluides et Transferts » du Master de Mécanique . Titre Production d’énergie et énergies renouvelables Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 7 ECTS Programme

• Politique de l’énergie. J.L. Bobin (Paris 6) 5 h. 1) Les données: énergie et PNB; le triangle des contraintes

sociétales; substitution énergétique; intensité énergétique. 2) Le contexte: marches de l'énergie (combustibles, électricité);

effet de serre et réchauffement climatique. 3) La politique: problèmes d'acceptabilité; scénarios; choix énergétiques; engagements internationaux.

• Rappels de Thermique : Convection, conduction et rayonnement : 8h C. Dang Vu • Energie solaire : - Captation directe : Ensoleillement , Capteurs solaires 10h C. Dang Vu.

- Photovoltaïque :Peres Roca (Ecole Polytechnique). 10 h

Introduction au photovoltaïque. La jonction P-N Les filières : silicium cristallin, polycristallin, et amorphe. Matériaux III-V et II-VI. Limites au rendement et stratégies d’amélioration. Cellules de troisième génération

• Piles à combustible et la filière hydrogène : P. Lucchese ( CEA) . 10h-15h :

Introduction à la pile à combustible : les principaux phénomènes physiques : electrochimie, chimie, transferts masse, chaleur

Les applications visées : cahier des charges et verrous actuels

La filière hydrogène, de la production à l’utilisation : les


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procédés et leurs bilans énergétiques, économiques, environnementaux

P-R&E-524B / U.E. 9 Titre Module d’Application-Expérimentation. Volume horaire 50 h Nombre d’unités ECTS 6 ECTS Responsable : B. Berthier (IPN-CNRS) Programme Module : Contenu orienté vers la physique des réacteurs, vers les accélérateurs ou la physique des détecteurs dans le cas des 3 parcours définis . Dans le cas d’un parcours Physique des réacteurs :

• Cours+TD+TP Physique neutronique expérimentale- Mesures en réacteur et exploitation. (6h) Recyclage du plutonium en réacteur (6h) Gestion des déchets nucléaires (6h) Grands logiciels de simulation neutronique (9h) Schémas de calcul neutronique, qualification et mise en pratique. (8h). • TP sur réacteur et simulateur. (15h)

Pourrait aussi être un module extérieur vers l’imagerie médicale ou l’environnement et faire partie d’un parcours « libre » à examiner. Sera précisé ultérieurement.


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RAPPORTS, PROJETS, STAGES, SEMINAIRES

Dans le cadre de certaines unités, les étudiants sont amenés à réaliser un certain nombre de projets personnels et à présenter oralement et sous forme de rapport écrit, le résultat de leurs activités. L’encadrement de telles activités se fait par les enseignants de l’unité et/ou par des chercheurs des équipes d’accueil (cas de l’unité 9). Un travail bibliographique peut aussi être demandé ainsi que des applications informatiques faisant suite à un cours. Dans ce dernier cas, les étudiants doivent réaliser des projets faisant appel au calcul numérique (calcul de trajectoire, générateur d’événements, minimisation..), ou imposant une bonne structuration pour son implémentation (calcul formel, reconnaissance de forme, analyse syntaxique…).

Un stage de quatre mois comportant obligatoirement un séjour sur une aire expérimentale ou dans une entreprise, durant lequel aura lieu une installation ou une mise en fonctionnement d'un détecteur, complète la formation des étudiants. Cette activité est validée par une présentation orale des résultats accompagnée d'un rapport écrit.

Bien que cela ne puisse être une règle, ce stage est le point de départ d’une thèse et prépare donc l’insertion professionnelle ultérieure. L’orientation sera partiellement déterminée par le choix du parcours.


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Contacts Responsable Paris-Sud

Willis Nicole Email : [email protected]

Secrétariat Christiane Martelle Email : [email protected]

Adresse IPN Rue G. Clémenceau Orsay Cedex 91406 Tel : 01.69.15.64.74

Responsable INSTN

Joseph Safieh Email : [email protected]

Secrétariat Marie-Thérèse PLANA Email : [email protected] Adresse : CEA - INSTN Centre de Saclay bât. 395 91 191 Gif sur Yvette Cedex FRANCE Tel : 01.69.08.42.32

http://www-instn.cea.fr

Documents

Master de Physique Mention Physique Fondamentale et Appliquée