Institut Laue-Langevin

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Institut Laue-Langevin
Image illustrative de l'article Institut Laue-Langevin

Création 1967 (convention)
1971 (infrastructures)
Siège Grenoble
Pays France
Coordonnées 45° 12′ 21″ nord, 5° 41′ 32″ est
Rattachement CEA, CNRS
Directeur Drapeau de l'Allemagne Helmut Schober[1]
Disciplines Sciences et techniques neutroniques
Site web http://www.ill.eu/fr

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Institut Laue-Langevin

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Institut Laue-Langevin

L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand) et Paul Langevin (physicien français) est un organisme de recherche international situé sur le polygone scientifique de Grenoble qui symbolise lors de sa création en 1967 la réconciliation franco-allemande.

Cet institut spécialisé en sciences et technologies neutroniques est financé par quinze pays et accueille chaque année 1 400 scientifiques en provenance de quarante pays[2], offrant les faisceaux de neutrons les plus intenses au monde ainsi qu'une quarantaine d'instruments scientifiques de pointe. Il ne sera égalé que par la future source European Spallation Source en 2025[3].

Histoire[modifier | modifier le code]

À la suite de la signature du traité de l'Élysée de 1963[4], une convention intergouvernementale de coopération scientifique entre la France et l'Allemagne est signée le 19 janvier 1967 pour construire un réacteur nucléaire. Le site choisi symbolise la réconciliation franco-allemande puisque Grenoble est l'une des cinq communes françaises Compagnon de la Libération, encore marquée par ses actes de Résistance. De plus le nom de la rue des Martyrs dans laquelle doit s'installer l'édifice rappelle un charnier de 48 cadavres découverts en août 1944 sur le polygone d'artillerie après le départ des troupes allemandes[5]. Les travaux démarrent en 1968 et l'année suivante voit la construction du réacteur. Mais le 13 février 1970, le chantier est marqué par un tragique accident au cours duquel cinq ouvriers sont tués et deux autres gravement blessés dans l'effondrement partiel du toit[6]. Le chantier s'achève au milieu de l'année 1971 et le réacteur rentre pour la première fois en divergence le 31 août. Sa puissance est maximale le 16 décembre[7].

Le français Louis Néel et l'allemand Heinz Maier-Leibnitz ont une influence déterminante dans la conception et la réalisation de cet outil dédié à la recherche neutronique. Maier-Leibnitz prend la direction de l'institut en tandem avec le physicien français Bernard Jacrot jusqu'en 1972, première année d'utilisation du réacteur. À la mise en service en 1971, le sculpteur Jean-Robert Ipousteguy achève devant l'institut une sculpture monumentale appelée Homme forçant l'unité[8]. Après de très longues négociations, les deux pays fondateurs sont rejoints le 19 juillet 1974 par le Royaume-Uni.

L'institut Laue-Langevin.

Alors que la cuve du réacteur est remplacée entre 1991 et le 6 janvier 1995, des partenariats scientifiques se mettent en place avec d'autres états : Espagne en 1987, Suisse en 1988, Autriche en 1990, Italie en 1997, République tchèque en 1999, Hongrie et Suède en 2005, Belgique et Pologne en 2006, Danemark et Slovaquie en 2009. Enfin l'Inde adhère en janvier 2011. Les chercheurs mettent en place au fil des années des dispositifs innovants visant à refroidir, chauffer ou comprimer les échantillons étudiés, mais également leur appliquer de puissants champs magnétiques [9].

Le 19 janvier 2017, une cérémonie se déroule au World Trade Center Grenoble devant les ambassadeurs des États membres et du secrétaire d’Etat à la recherche Thierry Mandon, afin de célébrer le 50e anniversaire de la création de l'institut. L'occasion est donnée au président de la métropole, Christophe Ferrari, de préciser que l'ILL représente 600 publications scientifiques par an et que les 100 millions d'euros de son budget annuel sont injectés dans l'économie locale[10].

Lieu d'implantation[modifier | modifier le code]

L'institut est implanté sur le polygone scientifique de Grenoble, sur le même site que l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), que le laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) et que l'Institut de biologie structurale, d'où l'idée au milieu des années 2000 de créer le campus d'innovation GIANT (Grenoble Innovation for Advanced New Technologies). L'ILL est membre fondateur du partenariat grenoblois GIANT visant à faire de ce quartier le second campus grenoblois après celui du domaine universitaire de Grenoble installé à Saint-Martin-d'Hères. L'ILL est membre de l'institut de recherche technologique Nanoelec ainsi que d'EIROforum[11], une collaboration entre huit des plus grandes infrastructures de recherche européennes. En décembre 2013, l'ILL inaugure une extension appelée ILL Science Building sur une superficie de 5 210 m2, abritant plusieurs ensembles de laboratoires de recherche, de bureaux, de salles de conférences, ainsi qu'une bibliothèque d'études au dernier niveau[12],[13].

Campus européen[modifier | modifier le code]

La présence d'autres organismes internationaux de recherche sur le site de la presqu'île a permis à l'institut Laue-Langevin de rejoindre l'EPN science campus (European photon and neutron science campus), composé de l'European Synchrotron Radiation Facility, de l'Institut de biologie structurale et du Laboratoire européen de biologie moléculaire. Jouant sur la proximité unique au monde d’une source de neutrons et d’une source de rayons X extrêmement intenses, la vingtaine de pays financeurs de ces équipements qui attirent chaque année plus de 10 000 chercheurs a décidé en juin 2010 de leur accorder de nouveaux moyens pour moderniser les instruments et mettre en place de nouveaux partenariats[14],[15],[16]. À cet effet, deux nouveaux édifices communs à ces organismes ont été construits en 2013, dont le bâtiment des sciences d'une superficie de 5 000 mètres carrés et l'institut de biologie structurale d'une superficie de 5 600 mètres carrés[17],[18].

Formation[modifier | modifier le code]

En lien avec le synchrotron voisin, une formation annuelle est dispensée par l'université Grenoble-Alpes et l'institut polytechnique de Grenoble aux étudiants, post-doctorants et scientifiques internationaux dans le domaine des neutrons, du rayonnement synchrotron ainsi qu'en physique de la matière condensée. Portant le nom d'Hercules, acronyme anglais de Higher European Research Course for Users of Large Expérimental Systems, cette formation théorique et pratique d'une durée d'un mois existe depuis 1991 et reçoit 80 étudiants formés par 150 enseignants pour comprendre et utiliser ces instruments très sophistiqués[19].

Programme de modernisation[modifier | modifier le code]

L'institut lance en 2000 un programme de modernisation de ses équipements et détecteurs appelé Programme Millenium. Dans un premier temps entre 2001 et 2008, six nouveaux instruments scientifiques sont installés et huit autres sont modernisés[20]. Dans un second temps entre 2008 et 2016, quatre nouveaux instruments sont installés et quatre autres modernisés[21]. L'ensemble de ces deux phases représente un budget de 75 millions d'euros et a permis d'augmenter le facteur de gain de 25[22]. À partir de 2016, afin de maintenir le meilleur niveau de recherche mondial et d'offrir de nouvelles possibilités dans les domaines du magnétisme, de la science des matériaux, de la matière molle, de la biologie et de la physique des particules (spectroscopie gamma, neutrons ultra-purs), l'institut lance un nouveau plan de modernisation dénommé Endurance et devant se dérouler jusqu'en 2030[23].

Réacteur à Haut Flux (RHF)[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Réacteur à Haut Flux.

Il comprend un réacteur de recherche, le Réacteur à Haut Flux[24] (RHF, INB n°67) d'une puissance de 58 MW, modéré à l'eau lourde, utilisé pour produire des faisceaux de neutrons. Ceux-ci permettent de sonder la matière avec un grand pouvoir de pénétration mais non destructif. Ils sont également sensibles au champ magnétique et aux atomes légers comme l’hydrogène, élément essentiel dans les recherches sur les échantillons biologiques ou les plastiques. C'est la source de neutrons la plus intense du monde et c'est donc un instrument scientifique de tout premier ordre pour la communauté internationale. Depuis fin 2015, sa sécurité est assurée par des drones y compris par temps de pluie ou avec des rafales de vent de 60 km/h[25].

Une quarantaine d'instruments scientifiques sont placés tout autour du cœur du réacteur, permettant des applications allant de la physique fondamentale à la biologie en passant par la cristallographie la chimie ou la science des matériaux.

Hall du réacteur.

L'Institut Laue-Langevin est un institut de service : son rôle premier est de fournir du temps de faisceau de neutrons aux scientifiques utilisateurs, de passage pour leurs expériences. Ceux-ci obtiennent ce temps de faisceau, la mise à disposition du matériel adéquat, et l'expertise des scientifiques et techniciens sur place, après acceptation de leur proposition d'expérience par un comité d'experts scientifiques (une expérience retenue sur deux, environ).

Plus de 90 % des expériences sont réalisées par des chercheurs venant d'un institut, centre de recherche ou université de l'un des pays finançant l'institut. La sélection des expériences est effectuées sur la base de la qualité des propositions par un comité international. La part de la France est d'environ un tiers.

Les scientifiques de l'ILL ont un triple rôle. Service aux utilisateurs, de la préparation de l'expérience au traitement de ses données, développement permanent des instruments et équipements scientifiques, recherche pour leur propre compte. Ils ont également une double compétence dans leur domaine d'expertise (magnétisme, physique des particules, biologie etc ...) et en neutronique.

Après l'accident nucléaire de Fukushima, l'ILL a décidé d'améliorer la sécurité de son site et notamment le renforcement de la protection de secours de l'alimentation électrique. Ainsi l'entreprise AEG a été choisie en 2015 comme fournisseur des systèmes d'alimentation électrique conformes aux normes nucléaires[26]. En juillet 2016, l'ILL se dote d'un drone de surveillance capable de détecter la radioactivité dans un rayon de neuf kilomètres, y compris par temps de forte pluie[27]. Après l'annonce en 2015 de la baisse de puissance du réacteur français Orphée à Saclay et de sa fermeture en 2019, l'ILL deviendra à cette date la seule source française de neutrons[28].

Le 17 mai 2017, un élément combustible usé est resté bloqué dans sa hotte de manutention lors de son transfert dans la piscine[29].

Applications des recherches[modifier | modifier le code]

En 2013, des chercheurs britanniques et français ont utilisé les faisceaux de neutrons de l'institut afin de mettre au point une nouvelle méthode à fiabilité élevée pour visualiser les empreintes digitales laissées sur des surfaces métalliques[30],[31].

Physique[modifier | modifier le code]

En matière de physique théorique, l'utilisation de neutrons permet de faire des recherches dans de nombreux domaines. En décembre 2014, des chercheurs de l'institut Laue-Langevin associés à ceux de l’université de Göttingen publient leurs résultats dans la revue Nature concernant la découverte de la 17e forme de glace, la glace XVI[32],[33],[34]. Afin de découvrir des particules encore hypothétiques comme les axions, des expériences sont menées à l'Institut Laue-Langevin par spectroscopie de résonance gravitationnelle consistant à faire rebondir des neutrons ultra-froids le long d'un miroir pour observer leurs états quantiques d'énergie[35],[36].

En 2016, l'institut a été le lieu d'une expérience visant à vérifier si des neutrons pouvaient passer de notre univers vers un univers parallèle, mais l'expérience n'a pas été concluante. Les résultats obtenus sont cependant archivés sur le site d'arXiv[37]. D'autres expériences similaires pourraient se renouveler dans l'avenir[38].

En mai 2016, l'expérience STEREO (Sterile reactor oscillation) consistant à découvrir l’existence d’un nouveau constituant élémentaire de la matière, un type de neutrino dit neutrino stérile, prend place dans les locaux de l'institut[39]. Conçu à l'IRFU de Saclay et fruit d'une collaboration internationale, le dispositif global d'environ 93 tonnes de blindage autour d'un détecteur de 3 m sur 2 m et d'1,5 m de hauteur, est positionné à proximité immédiate du réacteur durant l'été et doit donner ses premiers résultats vers la fin de l'année. L'expérience qui fournit sa première campagne de données entre le 11 novembre 2016 et le 12 mars 2017[40] pourrait démontrer par l'oscillation des neutrinos à courte distance, l'existence d'un quatrième état des neutrinos. La spécificité de STEREO par rapport à d'autres expérience similaires menées à travers le monde venant du fait que le cœur du réacteur est très compact. Mais d'autres campagnes de mesure seront nécessaires pour confirmer ou rejeter de manière certaine l'oscillation.

L'ILL dévoile en 2017 dans la revue scientifique Nature sa collaboration avec des universités européennes sur la recherche d'aimants moléculaires qui pourraient être utilisés dans l'avenir pour l'informatique quantique[41].

Médecine[modifier | modifier le code]

Dans le domaine de la santé humaine, grâce aux instruments de diffusion neutronique de pointe, des équipes de l'ILL et de l'université de Chicago ont montré en 2013 que la charge de nanoparticules d’or influe sur la manière dont ces nanoparticules interagissent avec la paroi externe qui protège les cellules[42]. Les paillettes d’or chargées positivement pénètrent profondément dans la paroi externe de la cellule et la détruisent alors qu'au contraire chargées négativement, les paillettes d'or stabilisent la membrane de la cellule. En 2017, des essais cliniques de photothérapie à partir de nanoparticules d'or se déroulent aux Etats-Unis, laissant entrevoir une thérapie prometteuse[43].

Structure typique d'un neurone

La technique de diffraction de neutrons sur la matière a permis en 2014 d'étudier à l'ILL la structure de la myéline avec une très grande précision et d'en comprendre les pathologies des couches entourant les nerfs. En utilisant un isotope de l'eau (eau lourde D2O), des chercheurs du Boston College ont pu déterminer la vitesse de déplacement de l'eau dans la gaine de myéline. Les résultats ont montré que les échanges d’eau dans le système nerveux périphérique étaient presque deux fois plus rapides que dans le système nerveux central[44].

Une publication dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences du 27 avril 2015 informe qu'une collaboration internationale à laquelle ont participé des chercheurs de l'ILL a mis en évidence que le mouvement des molécules d'eau pourrait constituer un marqueur indirect de la présence de fibres amyloïdes tau. Ces fibres étant directement impliquées dans le développement de la maladie d'Alzheimer, leur détection pourrait ainsi permettre un diagnostic précoce de la maladie[45],[46].

Les radioisotopes produits dans le réacteur de l'institut sont utilisés en médecine pour le traitement du cancer[47]. C'est le cas du terbium, une terre rare qui produit des rayonnements alpha, bêta ou gamma, et même des électrons Auger. C'est également le cas du 177Lu de période 6,7 jours qui produit pour une société privée en 2016 doit être utilisé dans la lutte contre le cancer de l'intestin[48].

Biologie[modifier | modifier le code]

En été 2016, à l'aide d'une technique d'imagerie par rayonnement à neutrons, une équipe de l'Institut de biologie structurale, de l'Institut Max-Planck de biologie cellulaire et de l'Institut Laue-Langevin démontre qu'une molécule appelée éctoïne est utilisée par la bactérie halomonas titanicae dans l'épave du Titanic afin de survivre à la pression osmotique que provoque le sel de l'eau sur ses membranes[49],[50]. Cette bactérie qui ronge les restes du paquebot devrait faire disparaître progressivement l'épave à l'horizon de 2030[51].

Prix et distinctions[modifier | modifier le code]

Le physicien britannique Duncan Haldane qui a travaillé à l'institut de 1977 à 1981 reçoit en 2016 le Prix Nobel de physique avec John M. Kosterlitz et David J. Thouless pour leur travaux sur les transitions des phases topologiques dans la matière[52],[53].

Effectifs[modifier | modifier le code]

En 2010, l'institut employait 489 personnes[54] dont 70 chercheurs, une vingtaine de doctorants, plus de 200 techniciens, 50 administratifs et 60 spécialistes de l'exploitation et de la sûreté. Son personnel compte environ 65 % de Français, 12 % d'Allemands et 12 % de Britanniques. Chaque année, environ 1 400 chercheurs venus de quarante pays utilisent la source de neutrons de l'ILL, pour un total d'environ 800 expériences par an.

États membres[modifier | modifier le code]

En 2015, les pays membres associés de l'ILL sont au nombre de trois, auxquels s'ajoutent douze membres aux contributions plus modestes[55]. La Russie a été membre associée à partir de 1996, avant de se retirer[56]. Le dernier pays a y être entré a été l'Inde en 2011.

Les États membres associés et leur contribution financière entre parenthèses sont[57] :

Ils sont rejoints par des associés scientifiques qui se répartissent 25 % de la contribution :

Avec la procédure de retrait du Royaume-Uni de l'Union européenne début 2017, le Royaume-Uni souhaite poursuivre sa collaboration avec les centres de recherche comme l'institut Laue-Langevin, mais se demande comment remplacer sa contribution financière[58].

Accès[modifier | modifier le code]

Depuis 2014, l'accès en voiture se fait par une nouvelle entrée donnant sur la rue des Martyrs, à proximité de l'institut de biologie structurale. En transports en commun, l'institut est desservi par le terminus de la ligne B du tramway, ainsi que par les lignes de bus C6, 22 et 54.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. ill.eu, Une nouvelle équipe de direction à l'ILL.
  2. ill.eu, Des installations uniques et des experts de pointe.
  3. (en) europeanspallationsource.se du 10 février 2015
  4. Bernard Jacrot, « Une coopération réussie ? L’Institut Laue-Langevin », La revue pour l’histoire du CNRS [En ligne, point 26, mis en ligne le 15 octobre 2012, consulté le 28 novembre 2016.]
  5. Grenoble-resistance.fr, Charnier du polygone.
  6. echosciences-grenoble.fr du 31 janvier 2017, Anniversaire de l'ILL : 50 ans de neutrons à Grenoble.
  7. ill.eu, Dates clés.
  8. ipousteguy.com, Repères biographiques.
  9. www.echosciences-grenoble.fr du 21 décembre 2015, L'environnement échantillon à l'ILL de 1970 à 1990.
  10. lessor.fr du 28 janvier 2017, Institut Laue Langevin : 50 ans d'atouts.
  11. Site d'EIROforum.
  12. pss-archi.eu
  13. Architectes nickl-partner.com
  14. Site de EPN science campus
  15. Site de Minatec.
  16. Dauphiné libéré du 11 juin 2010, Coup de jeune pour les grands instruments de la Presqu'île scientifique ILL, EMBL et ESRF : EPN Science Campus est née.
  17. lessor.fr du 2 mars 2014, Grenoble - Recherche - 41,1M€ pour le campus scientifique « EPN ».
  18. Site de l'Institut de biologie structurale.
  19. France 3 Alpes du 11 mars 2015, HERCULES: 25 ans de science des neutrons et des rayonnements synchrotron à Grenoble.
  20. (en) ill.eu, First phase (2001 - 2008) 'M0'
  21. (en) ill.eu, Second phase (2009 - 2016) 'M1'
  22. The ILL 20/20 Endurance Brochure (2015 onwards) [PDF]
  23. (en) ill.eu, The Endurance Programme.
  24. [PDF] LACOSTE A.-C.; COMETS M.-P.; GOUZE J.-R.; BOURGIGNON M.; SANSON M., « Décision n° 2009-DC-0127 de l’Autorité de sûreté nucléaire du 6 janvier 2009 établissant la liste des installations nucléaires de base au 31 décembre 2008 », sur asn.fr, (consulté le 8 janvier 2009)
  25. « Leur drone veille sur le réacteur nucléaire le plus intense au monde. », sur leparisien.fr (consulté le 16 mai 2017)
  26. Article de Businesswire du 5 février 2015.
  27. leparisien.fr du 19 juillet 2016, Leur drone veille sur le réacteur nucléaire le plus intense au monde.
  28. lemonde.fr du 7 décembre 2015, La France à court de neutrons.
  29. Incident nucléaire de niveau 1 à l’ILL -Le Dauphiné Libéré, 27/5/2017
  30. futura-sciences.com du 23 juillet 2013, Une nouvelle arme pour la justice : mieux lire les empreintes digitales.
  31. maxisciences.com du 6 juillet 2013, Empreinte digitale : de nouvelles techniques pour révéler les traces cachées.
  32. Institut Laue-Langevin.
  33. Futura Science du 13 décembre 2014, La glace XVI, une clé pour l'énergie du futur.
  34. (en) Revue Nature du 11 décembre 2014, Formation and properties of ice XVI obtained by emptying a type sII clathrate hydrate.
  35. www.ill.eu du 17/04/2011 Matière noire et théorie des cordes ?
  36. (en) www.ill.eu 09/2012, A view of the instrument housing.
  37. futura-sciences.com du 15 mai 2016, Des neutrons pour chercher des univers parallèles.
  38. pourlascience.fr du 8 juin 2016, Des neutrons pour explorer les univers parallèles.
  39. lpsc.in2p3.fr STEREO prend pied à l'ILL.
  40. techno-science.net du 12 mai 2017, Le détecteur Stereo entre dans la course au neutrino stérile.
  41. (en) « Molecular magnets closer to application in quantum computing », sur nextbigfuture.com (consulté le 16 mai 2017)
  42. « Nanoparticules d’or : des dangers potentiels révélés par les neutrons », sur enerzine.com, (consulté le 16 juillet 2017)
  43. « Des nanoparticules d'or pour soigner le cancer ? », sur lepoint.fr, (consulté le 16 juillet 2017)
  44. ill.eu du 8 octobre 2014, La diffraction des neutrons montre comment la myéline se porte sur nos nerfs.
  45. Tecno-science.net du 29 avril 2015, Alzheimer: l'eau pourrait servir de marqueur précoce.
  46. (en) Medicalxpress.com du 28 avril 2015, Alzheimer's disease markers could be identified through protein water mobility.
  47. Le Temps du 22 février 2014, Des éléments radioactifs pour assaillir le cancer.
  48. lefigaro.fr du 4 février 2016, Succès d'une approche innovante contre un cancer de l'intestin.
  49. franceinter.fr du 7 septembre 2016. À plus de 3000 mètres de profondeur, sans soleil, dans l'acide ou le sel les micro-organismes extrêmophiles prospèrent là ou toute autre forme de vie est impossible.
  50. www2.cnrs.fr du 5 septembre 2016, Des neutrons pour comprendre le secret des bactéries extrêmophiles comme celles qui décomposent le Titanic.
  51. (en) laboratoryequipment.com du 6 septembre 2016, Extremophile Bacteria’ Will Eat Away Wreck of the Titanic by 2030.
  52. (en) nytimes du 4 octobre 2016, 3 Who Studied Unusual States of Matter Win Nobel Prize in Physics.
  53. ill.eu du 4 octobre 2016, Congratulations to the 2016 Physics Nobel Prize laureates !
  54. Site de Giant.
  55. Site de l'ILL.
  56. Bulletins électroniques du 4 juillet 2014.
  57. Site de l'ILL.
  58. (en) « UK science must work with the US, but it won’t replace the EU », sur timeshighereducation.com, (consulté le 22 juin 2017)

Annexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Bernard Jacrot, Des neutrons pour la science: histoire de l'institut Laue-Langevin, une coopération internationale particulièrement réussie, EDP science, Les Ulis, 2006, (ISBN 2-86883-878-2)

Liens externes[modifier | modifier le code]