Journal de Saclay n°27 - CEA Saclay

CONFÉRENCES CYCLOPELe centre CEA de Saclay organise chaque trimestre des conférences destinées à présenter au grand publicl’actualité scientifique et technique. Ces conférences sont animées par Fabienne Chauvière, journaliste.COMBATTRE LE CANCER : DEUX NOUVEAUX PROGRAMMES EUROPÉENSLundi 7 mars 2005Cancer : évolution en France eten EuropePar le Docteur Anne Flüry-Hérard - CEADepuis plusieurs décennies, le nombre dedécès par cancer diminue, grâce auxprogrès thérapeutiques, mais la fréquenceglobale des cancers est en augmentationconstante dans les pays développés. Vieillissement, habitudesindividuelles, expositions environnementales, mais aussile dépistage sont parmi les hypothèses les plus souventavancées pour expliquer cette évolution… continue.MAESTRO : de nouvellestechnologies de radiothérapiePar Jean Barthe, Directeur de Recherche -CEA SaclayMAESTRO, acronyme anglais pour"Méthodes et Equipement Avancépour la Simulation et le Traitement en RadioOncologie", est un projet intégré du 6 e ProgrammeCadre de Recherche et de Développement dontl'objectif est de développer de nouveaux outils de radiothérapie,tant matériels que logiciels, pour aider à la luttecontre le cancer. Il regroupe les compétences de douzeentités de recherche (universités, instituts et centres derecherche publics et privés), sept centres de soins oucentres hospitalo-universitaires ainsi que cinq industrielsappartenant à neuf états membres de l'UnionEuropéenne.Renseignements pratiques pour lesconférences Cyclope et Cyclope Juniors :Accès : ouvert à tous, entrée gratuiteLieu : Institut national des sciences et techniquesnucléaires, Saclay (voir plan)Horaire : 20 heuresOrganisation/renseignements :Centre CEA de Saclay,Unité communication et affaires publiquesTél : 01 69 08 52 10Adresse postale : 91191 Gif-sur-Yvette Cedexwww.cea.frLundi 14 mars 2005Le réseau d'imagerie EMIL :mieux voir pour mieux soignerPar Bertrand Tavitian, Directeur du laboratoired'imagerie de l'expression des gènes – CEASaclayLarvatus prodeo (j’avance masqué) :cette formule de Descartes s’appliqueau cancer, ennemi invisible embusqué au sein de notregénome, partie la plus intime et la plus personnelle denos cellules.Trente ans de recherche en laboratoire ont mis à jour lessignatures chimiques spécifiques des cellules tumorales.Aujourd’hui, l’imagerie moléculaire nous montre cettesubtile information chimique directement chez le patient,sans effraction ni geste traumatique. Pour cela, elle associeles progrès de la physique des détecteurs, de lachimie des indicateurs moléculaires et de la biologie descancers. EMIL est un réseau d’excellence européen quirassemble les spécialistes de l’imagerie moléculaire pourfaire avancer le diagnostic et la thérapie des cancers.LES JEUDIS DU CEAJeudi 17 février 2005 à 19h30Sylphes, jets, elves et autres étrangetésde la haute atmosphèreavec Elisabeth Blanc, maître de recherche (CEA DAMIle-de-France)Jeudi 10 mars 2005 à 19h30Lasers et cellules du vivantavec Daniel Courant, spécialiste des effets sur levivant (CEA Fontenay-aux-Roses) et EleonoraZito-Abbad, ophtalmologiste (centre hospitalierd’ophtalmologie des XV-XX, Université Paris VI).Jeudi 21 avril 2005 à 19h30EPR : le premier réacteur européenavec Alain Vallée, directeur adjoint (CEA Saclay).Renseignements pratiques :Lieu : café de la FNAC Vélizy, centre commercialVélizy 2 – 2, avenue de l’Europe – 78140 Vélizy-VillacoublayAccès : métro Pont de Sèvres puis bus RATP 179au croisement de la N 118 et de l’A86, 10 min duPont de Sèvres.1 er TRIMESTRE 2005 > N°27Centre CEA de SaclayLE JOURNALDOSSIERModélisation et SimulationCYCLOPE JUNIORSSéismes et tsunamis :à l’écoute de la terrepage 23Conférences CyclopeCombattre le cancer : deux nouveaux programmes européenspage 24

2Éditorial2ÉditeurCEA (Commissariatà l’énergie atomique)Centre de Saclay91191 Gif-sur-Yvette CedexDirecteurJean-Pierre PervèsDirecteur de la publicationYves BourlatRédacteur en chefChristophe PerrinRédactrice en chef adjointeSophie AstorgIconographieChantal FuseauConception graphiqueMazarine2, square Villaret de Joyeuse75017 ParisTél. : 01 58 05 49 25Crédits photosANDRACEAP. DumasN. EvangelistaCEA / CADAMCEA / E. de LavergneCEA / DSVCEA / C. FuseauCEA / A. GoninCEA / JolyCEA / MADCEA / P. SollogoubCEA / P. StroppaCEA / F. VigourouxMédiathèque EDF / P. LopparelliMédiathèque EDF / B. PredineGANIL / J.-M. MirouxDr Alan W. Hewatwww.ill.fr/dif/3D_crystalssuperconductors.htmlNASA/WMAP Science TeamN° ISSN 1276-2776Centre CEA de SaclayDroits de reproduction,texte et illustrationsréservés pour tous paysPhotos de couverture :Simulation des grandes structures de l’Univers à l’intérieurd’un cube de 300 millions d’années-lumière d’arête (voir p. 8).Photos de la conférence Cyclope Juniors : détection de séismesen Chine en 132 / sismographe actuelSommaire n° 27Éditorial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 2Dossier :Modélisation et simulation . . . . . . . . . page 3Le complexe de calcul du CEA. . . . page 4Simuler pour modéliser . . . . . . . . . page 5Simuler pour comprendre . . . . . . . page 7Simuler pour expérimenter . . . . . page 11Simuler pour concevoir . . . . . . . . page 14L’INSTN : innover pour mieux servir. . . . page 18Du laboratoire à l’entreprise :Successful Aging Database . . . . . . . . page 22Brèves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . page 22Agenda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pages 23/24La modélisation, ausens de représentationd’un phénomènephysique, est un acteessentiel de la recherchescientifique. Intégrés dansles grands logiciels desimulation, les modèlessont élaborés à partir de la théorie et del’expérimentation. Ils peuvent être développésà partir de «smart experiments»(ou expériences astucieuses) ou mêmed’expériences virtuelles à une échelleinférieure à celle de la réalité étudiée(in silico 1 ).La simulation numérique, réceptacle desconnaissances issues de la modélisation,est devenue, grâce aux progrèsremarquables des ordinateurs, un outilincontournable pour la recherche fondamentale,la recherche appliquée ou ledéveloppement industriel. Elle aide àcomprendre, prévoir, expérimenter,et permet également d’épargnerbeaucoup de temps et d’argent.La confrontation de la réalité simulée àl’expérience permet de déterminer lesmanques, les biais et les incertitudesdans les modèles, et donc de les amenderou de les compléter, en un mot deprogresser.Au centre CEA de Saclay, il n’est pas unlaboratoire qui ne modélise ou ne simule.Il est évidemment impossible d’évoquertous les thèmes étudiés, seuls quelquesunssont développés dans ce dossier.La simulation s’inscrit particulièrementdans un thème de recherche considérécomme prioritaire par le CEA : lestechniques de l’information et de lacommunication. Le centre CEA de Saclaypropose à cet égard, en relation avec denombreux industriels et centres derecherche, un dossier de pôle de compétitivitédédié aux technologies logicielles.Il tire en cela avantage d’une expériencede cinquante ans sur les capteurs, l’interprétationdu signal, la modélisation etl’automatisation des procédés. Lesprojets Num@tec 2 (CEA Saclay, INRIA,CNRS, Université Paris-sud, Ecole polytechnique,Ecole supérieure d’électricité)et Ter@tec (centre CEA de Bruyères-le-Châtel) s’intégreront pleinement danscette perspective.J.-P. PervèsDirecteur du centre CEA de Saclay1 In silico signifie que cela n’existe qu’au staded’une simulation sur ordinateur, par allusion au siliciumdes composants électroniques.2 Les activités futures de Num@tec ne sont pasexplicitement détaillées dans ce dossier. Elles ontété évoquées dans un précédent numéro (N°23 du1 er trimestre 2004).Etienne Klein a reçule Prix Jean-RostandPhysicien au centre CEA de Saclay et philosophedes sciences, Etienne Klein est aussi vulgarisateur.Spécialiste du temps et de la physique quantique,il a reçu le 16 novembre 2004 le prix Jean-Rostand,patronné par le Mouvement universel pour la responsabilitéscientifique, pour son ouvrage « Petit voyagedans le monde des quanta » (Flammarion).« En s’appuyant sur l’histoire des sciences et surune utilisation adroite d’images et de métaphores,il arrive ainsi à rendre compte de phénomènesqui peuvent s’éloigner de la perception physiqueordinaire », résume le président du jury, Paul Caro.« Petit voyage dans le monde des quanta »,Etienne Klein, édition Flammarion, 224p., 8,20 €MODÉLISATION ET SIMULATIONUne expérience en laboratoire est déjà une simulation, dans le sens d’un mime de phénomènes«naturels ». La simulation numérique consiste à reproduire par le calcul le fonctionnement d’unsystème, préalablement décrit par un ensemble de modèles mathématiques.1L’activité scientifique de recherche et développementreposait traditionnellement sur des va-et-vient entreexpérimentation et théorie (ou modélisation). Aujourd’hui,le cycle s’organise autour de la séquence modélisation,simulation (ou étude in silico) et expérimentation.L’expérience alimente la modélisation en donnéesnumériques nécessaires à son paramétrage. En retour,la simulation suscite des configurations intéressantes àexpérimenter.Pourquoi simuler ?Lorsqu’on ne peut pas faire l’expérience en situation réelleou lorsqu’on ne peut pas se permettre de multiplier lesexpériences, la simulation prend tout son sens. Ellepermet aussi de «donner de la chair aux équations» : elleLe saviez-vous ?D’où vient le mot algorithme ?Un algorithme est une suite d’instructions logico-mathématiques écrites parle programmeur et exécutées par l’ordinateur. Ce mot proviendrait du nomde l’auteur du premier traité d’algèbre au IX e siècle. Lorsqu’au XII e siècle, lesouvrages arabes commencent à être traduits en latin,le système de numération décimale se diffuse enEurope. Il peine à s’imposer face à l’abaque, versionoccidentale du boulier chinois.Le terme algoritmus est alors introduit pour désignerles procédés de calcul utilisant l’écriture décimale,par opposition à ceux utilisant des jetons sur unabaque. C’est seulement à la Révolution françaiseque l’usage de l’abaque est interdit dans les écoleset dans l’administration.Ci-dessus : un abaque est une table dédiée aux calculs, équipée d’un boulierou de jetons.ModéliserMétier :théoricienCalculer+ =Métiers :numéricien,informaticiendonne corps à des théories complexes. Ce sont lesconséquences (simulées) de la théorie qui pourront êtreconfrontées à l’expérience. Par ailleurs, lorsqu’on nedispose pas de bases théoriques évidentes, on recherchela solution parmi un vaste champ de possibilités grâce àcet outil très puissant, la simulation.Qu’est-ce qu’un modèle ?C’est la reproduction à l’échelle réduite ou simplifiée d’unphénomène, d’un objet, etc. Un modèle mathématique estune description mathématique d’un système et des loisqui régissent soit son évolution au cours du temps, soitson état d’équilibre.2SimulerMétiers :biologiste, physicien,chimiste, etc.1 Simulation du développement d’instabilités en 3 dimensions avec Téra(voir page 4).2 Les essais sismiques sur les tables vibrantes de Tamaris sont systématiquementexploités par les physiciens, qui confrontent les mesures enregistrées pendantl’essai aux valeurs calculées avec leurs modèles. Ainsi la qualité de la simulationne cesse-t-elle de progresser.3Modélisation et Simulation

14Modélisation et SimulationLE COMPLEXE DE CALCULSCIENTIFIQUE DU CEAImplanté sur le centre de la Direction des applicationsmilitaires de Bruyères-le-Châtel, le complexe de calculscientifique du CEA est composé du supercalculateur Téra(dédié aux applications classifiées de défense) et duCentre de calcul recherche et technologie (CCRT),l’ensemble offrant une puissance de calcul de 9 téraflops 1 ,ce qui en fait le premier complexe de calcul français. LeCCRT, composé de deux machines « parallèles» et d’unemachine «vectorielle», pour une puissance de 4 téraflops,offre aux unités du CEA et à quelques partenaires industrielsdes moyens de calcul centralisés. Les simulations declimatologie, par exemple, sont effectuées sur la machinevectorielle car elles exigent une grande vitesse de calcul.Les simulations d’astrophysique ou de centrale nucléaire,qui demandent, de surcroît, une énorme mémoire, sontréalisées sur machine parallèle. Calculer sur une machineà dix processeurs permet en effet de gagner jusqu’à unfacteur dix à la fois en vitesse d’exécution et en taille demémoire.1 téraflop : mille milliards d’opérations par seconde.Répartition des temps decalcul du CCRT(CEA et hors CEA)Sciencesde la matière28%Sciencesdu vivant9%Applicationsmilitaires13%2Energie nucléaire22%Extérieurau CEA28%ZoomLes méthodes de Monte-Carloou calculer avec le hasardLes méthodes de Monte-Carlo sont des méthodes numériques utilisantla technique familière du sondage. On va recommencer un grand nombrede fois une expérience en variant de façon aléatoire les paramètres de départ.Le résultat final provient d’une statistique sur les résultats élémentaires.Par exemple, l’expérience consiste à évaluer le parcours individuel d’uneparticule dans la matière, parcours régi par une chaîne de collisions quidévient sa trajectoire. Cette méthode est ainsi mise en œuvre pour étudier laréponse des détecteurs en physique des particules (voir p.11), contrôler des« colis » de déchets radioactifs (voir p.12), interpréter l’imagerie médicale(voir p.17), prédire le comportement de matériaux irradiés (voir p.10) oudimensionner des protections contre le rayonnement dans des installationsnucléaires. Mais les simulations de Monte-Carlo s’appliquent également à lareconnaissance de la parole, l’analyse des séquences d’ADN (voir p.13), lasimulation des structures moléculaires (voir p.9), la circulation routière oul’analyse de risques par les compagnies d’assurances.Ci-dessous : la fluidité du trafic routier, comme l’évaluation de risques pour lescompagnies d’assurance, est simulée par des méthodes de Monte-Carlo.1 et 2 La simulation numérique exige souvent de puissants moyens de calculcentralisés. Les chercheurs du CEA disposent du complexe de calcul scientifiquede Bruyères-le-Châtel, le premier en France. Au premier plan, les systèmes destockage des données, au second plan, les ordinateurs reliés entre eux.Le saviez-vous ?La simulation peut être analogiqueUne simulation n’est pas toujoursnumérique. Une simulationanalogique consiste, par exemple,à exploiter les résultatsd’expériences à petite échelle pourrendre compte de phénomènesqui se produisent dans la nature àtrès grande échelle ou sur desdurées très longues (maquetted’avion en soufflerie ou déchetsnucléaires à vie longue). La simulationnumérique peut également se combiner à la simulation analogique.Ci-dessus : des expériences de migration d’éléments analogues auxdéchets radioactifs seront réalisées dans le laboratoire de recherchesouterrain de Bure (Meuse / Haute-Marne) de l’Agence nationale degestion des déchets radioactifs. Ces expériences constituent une simulationanalogique dont les résultats pourront être extrapolés dans le temps grâceà la simulation numérique.TENTER DE COMPRENDRECE QUE PERSONNE NE COMPREND !«Le théoricien se concentre sur les phénomènes inattendus,qui résistent aux tentatives d’explication», prévientAlain Billoire, physicien au Service de physique théorique(SPhT). «On utilise rarement une modélisation fine. L’idéeest qu’un phénomène intéressant ne dépend pas de détailsdu modèle mais a une certaine universalité. Il ne doit pasêtre sensible à des petites variations du modèle.» Lethéoricien cherche à expliquer le monde physique à partird’une description mathématique des lois de la nature. Sondomaine de réflexion est très vaste : des interactionsfondamentales dans l’univers primordial, jusqu’auxstructures biologiques comme l’ARN 1 , en passant par lessystèmes dits complexes (voir p.6) et la physique nucléaire.Des outils mathématiques polyvalentsLes chercheurs en physique théorique forment unecommunauté unie par une pratique fréquente qui consisteà utiliser, pour comprendre un problème, des conceptsmathématiques élaborés pour résoudre un autreproblème. La proximité de chercheurs travaillant sur desSIMULER POUR MODÉLISERLa physique théorique a pour vocation d’expliquer les phénomènes qui résistent à la compréhensiongrâce à des modèles aussi simples et universels que possible. La simulation sert alors à explorer desmodèles et à les comparer.1sujets extrêmement variés constitue de ce fait une granderichesse pour le SPhT. Un exemple classique est fourni parla « théorie quantique des champs », une classe d’objetsmathématiques inventés dans les années 1930 pourdécrire les interactions des électrons avec le champélectromagnétique. Dans les années 1970, elle a offert lecadre mathématique du célèbre « modèle standard » desinteractions fondamentales, qui est la bible des cosmologisteset des physiciens des particules. De nouveauxdéveloppements de ce formalisme fécondent aujourd’huila physique de la matière condensée (voir «Zoom»).Contact : abilloire@cea.fr(SPhT)1 Acide ribonucléique.Modélisation et Simulation> Simuler pour modéliser1 De puissants outils mathématiques développés pour la physique nucléaire parle Service de physique théorique ont trouvé par la suite des applications enphysique des particules et en physique de l’état condensé. Photo d’une chambrede réaction du Grand accélérateur national d’ions lourds à Caen (GANIL), dédiéà la physique du noyau atomique.Le saviez-vous ?L’irritant problème dit « à N corps »Calculer la trajectoire d’une planète autour d’une étoile est simple (depuisNewton) dans le cas d’une seule planète mais devient très complexe enprésence de plusieurs planètes très massives. Ce problème dit « à N corps »compromet semblablement le calcul des propriétés des électrons dans certainssolides (voir « Zoom ») ou celles des quarks dans les protons et les neutrons.ZoomDes électrons «fortement corrélés »Dans certains matériaux dits à électrons fortementcorrélés, les effets des interactions électrostatiques entreélectrons sont très importants. Dans les quinze dernièresannées, l’explosion des études sur les matériaux de basse«dimension », c’est-à-dire dans lesquels ces interactionssont beaucoup plus intenses le long d’une direction oud’un plan privilégié, a conduit à la découverte de phénomènesradicalement nouveaux comme la supraconductivité àhaute température critique ou la magnétorésistancegéante (exploitée dans les disques durs de nouvellegénération). Difficile mais riche de promesses, l’étude deces modèles mobilisera en 2005 les machines parallèlesdu CCRT (voir p. 4) durant quelques milliers d’heures.Ci-contre : les phénomènes de supraconductivité à hautetempérature critique intéressent les théoriciens (photo :structure atomique d’un supraconducteur).

16Modélisation et SimulationUNE ÉPIDÉMIE, UN PAYSAGEAFRICAIN ET UN VOL D’ÉTOURNEAUX« Les modèles servent à comprendre plus qu’à décrire ouprévoir. Ils se situent au carrefour des disciplines qu’ilsembrassent», explique Marc-Antoine Dubois, physicien auDRECAM 1 , responsable de recherches impliquantplusieurs organismes. Ses travaux visent à anticiper desconséquences possibles du changement climatique(voirp.7) sur la santé et l’environnement. Épidémies etécosystèmes sont identifiés par le théoricien comme des«systèmes complexes», c’est-à-dire des organisationssensibles à de nombreux facteurs, qui semblent animéesd’une logique propre ou au contraire paraissentimprévisibles. Le physicien a vocation à traiter de telsproblèmes avec sa «boîte à outils» de modélisateur, qui luisert également pour la fusion nucléaire ou l’astrophysique.N’imaginez pas cependant que tous les physiciens sontdes savants reclus devant leurs ordinateurs, certainssont aussi baroudeurs, interrogeant des bergers oucomptabilisant des espèces végétales sur le terrain.Fièvre et savanePremière question posée au Sénégal : pourquoi la fièvre dela vallée du Rift s’étend-elle hors de sa zone d’endémie ?Pour y répondre, il faut d’abord mener l’enquête sur place. Ilen ressort que le virus est transmis aux mammifères par lesmoustiques et se conserve dans leurs œufs jusqu’àdeux ans, sous réserve qu’ils soient inondés à une ou deux2reprises. Le niveau des mares et les transhumancesdeviennent des paramètres clés du problème ! Lemodèle est progressivement enrichi jusqu’à ce qu’enfin,il « fonctionne ».Autre question, posée cette fois au Cameroun : commentest-il possible que la savane coexiste avec la forêt enzone tropicale humide, là où la forêt devrait dominer ? Lasimulation révèle un paramètre crucial : la fréquence desfeux de savane. Au voisinage d’une lisière forêt savane,des bosquets se forment dans la savane s’il y a des incendiessporadiques. Si ces feux s’intensifient, la forêt ne peutplus se développer et la lisière savane forêt demeure enl’état. Ainsi l’énigme est-elle résolue…Contact : mad@cea.fr(DRECAM)1 Département de recherche sur l’état condensé, les atomes et les molécules1 Comment se forme la mosaïque de forêt tropicale et de savane ? Il faut allerrecueillir des informations sur place (ici au Congo) pour ensuite modéliser etcomprendre ce processus.2 Présentation graphique des résultats d’une simulation : elle matérialisel’évolution d’une épidémie de fièvre de la vallée du Rift sous l’effet deparamètres climatiques périodiques.Vol d’étourneaux : un autre système complexeLa cohésion d’un groupe composé d’individus en mouvement, que l’on observedans un vol d’étourneaux par exemple, s’explique par deux interactions purementlocales entre proches voisins : d’une part la tendance à l’alignement des directionsindividuelles et d’autre part, l’attraction entre individus au-delà d’une distancedonnée (en dessous de laquelle ils se repoussent). Ce résultat a considérablementétonné les zoologistes qui cherchaient en vain des signaux de ralliement à distance.Contact : hchate@cea.frCi-dessus : vol d’étourneaux au-dessus de Rome.QUEL CLIMAT LÉGUERONS-NOUSAUX GÉNÉRATIONS FUTURES ?Changement de température (°C) pour un taux de CO 2 doublé-6 -5 -4 -3 -2 -1 -0,5 0,5 1 2 3 4 5 6Ce planisphère montre un réchauffement plus marqué au nord qu’au sud, dansl’hypothèse d’un doublement de la teneur atmosphérique en gaz carboniquepar rapport à la teneur actuelle.SIMULER POUR COMPRENDRECertaines échelles de temps ou d’espace excluent toute possibilité d’expérimentation. La simulationnumérique joue dans ce cas un rôle irremplaçable. Elle doit cependant être confrontée à des expériences« sur-mesure » pour être validée.«Un modèle est un outil construit pour répondre spécifiquementà une question», explique Masa Kageyama,chercheuse au Laboratoire des sciences du climat et del’environnement (LSCE). Pour prévoir quel temps il feradans les jours qui viennent, la météorologie modélisel’atmosphère. Pour décrire un climat, il faut aussi prendreen compte l’océan, la végétation et leurs couplages. Unmodèle climatique complexe couvre une période limitée àquelques siècles. Les données d’entrée sont les variationsd’ensoleillement responsables des changementsclimatiques naturels, la teneur atmosphérique en gaz àeffet de serre et aérosols et la description de la surface(nature, altitude). Les résultats du modèle consistent enune somme d’informations statistiques : la moyenne desdonnées météorologiques sur une durée assez longuepour que le résultat ne varie pas (au moins dix ans), etaussi la variabilité saisonnière, annuelle et même journalière.Pour étudier des transitions climatiques à l‘échelle deplusieurs dizaines de millénaires, il faut simplifier le modèleet calculer notamment l’évolution des calottes de glace.Tous ces modèles sont validés par confrontation àl’ensemble des données climatiques disponibles, actuellesou passées.Effet de serreVenons-en à la question brûlante posée par la société auxclimatologues : quel sera l’effet sur le climat du relâchementde gaz dû à la combustion du charbon, des hydrocarbureset du gaz naturel ? Les différents modèles prédisent qu’en2100, la planète se sera réchauffée en moyenne de 1,5°Cà 3,5°C si la teneur en gaz à effet de serre double et de2,5°C à 5,5°C si cette teneur triple. Ces valeurs sont àméditer en regard de la dernière glaciation, il y a21000 ans. À l’échelle de la planète, quatre degrés enmoins en moyenne ont suffi à faire basculer le climat danscertaines régions, notamment en Europe occidentale oùla température a chuté de quinze à vingt degrés !Contact : masa.kageyama@cea.fr(LSCE)ObjetClimat sur 100 ansTemps de calcul300 heuresNombre de processeurs 1Nombre de lignes de programmation 200 000> Simuler pour comprendreZoom : insaisissables nuagesInsaisissables et mouvants, les nuages soufflent le froid et le chaud. Hautset blancs, ils interceptent une partie du rayonnement solaire en le renvoyantvers l’espace et refroidissent ainsi la Terre. Bas et gris, ils absorbent cerayonnement et renforcent l’effet de serre. Dans le climat plus chaud etaussi plus humide qui nous attend, quel effet l’emportera ?7Modélisation et Simulation

10Modélisation et SimulationGARANTIR LE COMPORTEMENTDES MATÉRIAUXComment prédire le comportement de matériaux soumisà une irradiation intense dans un réacteur nucléaire, à defortes contraintes mécaniques et à un environnementchimiquement agressif ? Dans ce domaine clé pour lasûreté, la simulation numérique progresse de concertavec l’expérimentation et en démultiplie les enseignements.À toutes les échelles, elle reproduit les bouleversementsde la structure intime du matériau, alliage métallique oucéramique. De l’arrangement atomique dans le cristaljusqu’à la pièce d’essai mécanique, composée d’agrégatsde «grains» cristallins. Au niveau atomique, des neutronsissus des réactions nucléaires éjectent des atomes de leurposition d’équilibre et créent des défauts lacunaires ou«interstitiels» (atomes surnuméraires). Un seul neutronsuffit à déplacer en cascade des milliers d’atomes. Bienque la plupart des défauts créés disparaissent rapidement,certains d’entre eux se regroupent lentement etfinissent par altérer la résistance mécanique du matériau.En effet, des défauts d’empilements atomiques appelés« dislocations », qui permettent au matériau de se déformeren se « déplaçant » dans la structure cristalline, interagissententre eux et avec les défauts d’irradiation, semultiplient et finissent par altérer la plasticité de la pièce.Un modèle pour chaque échelleAinsi, la simulation de la tenue mécanique d’un matériauirradié passe par un ensemble de modèles, les résultats del’un servant de données d’entrée à l’autre, de la plus petiteà la plus grande échelle. Le résultat final dépend fortementde la précision des calculs ab initio (voir p.9), qui fournissentles énergies nécessaires à la formation et à la migrationdes défauts. Ces données servent ensuite à décrire lapartie de billard atomique à l’échelle du cristal ainsi que lesinteractions entre défauts d’irradiation et mouvementsindividuels de dislocations. Les interactions collectivesentre dislocations, qui peuvent conduire à un dommageirréversible, sont alors calculées au1niveau du grain. Une simulation auniveau d’un agrégat de grains prendalors le relais : une «microfissure»prend naissance dans un grain et sepropage aux grains voisins. Enfin pourrelier microstructure et propriétés23d’emploi, le modélisateur invente un matériau fictif ethomogène, composé de cellules toutes identiques qui a lemême comportement que le matériau réel. La dernièreétape de ce long cheminement conduit au résultat d’untest mécanique standardisé, qui, à son tour, alimentera unlogiciel de calcul de structures mécaniques…(voir CAST3M p.14)Contact : SERRE@ortolan.cea.fr(Département des matériaux nucléaires)1 Simulation d’un test mécanique sur une pièce standardisée : un marteauvient frapper jusqu’à rupture la pièce, dont un quart seulement estreprésenté sur l’image.2 L'amorçage d'une fissure dans un grain particulier dépend de conditions localespuis sa propagation aux grains voisins et surtout la vitesse de cette propagationdépendent de l'orientation et des caractéristiques des grains voisins.3 Cascade de déplacements atomiques provoqués par un neutron incident, ausein d’un alliage métallique. Un grand nombre d'atomes sont expulsés de leurssites cristallins (points rouges) laissés vacants (points jaunes), la plupart desatomes retrouvent rapidement un site vacant à occuper (points bleus).SIMULER POUR EXPÉRIMENTERLa simulation permet de rendre intelligibles des données expérimentales brutes. Elle permet aussi dereproduire par avance des résultats expérimentaux de manière à en faciliter la reconnaissance parl’expérimentateur et donc l’interprétation.QUELLE EST LA MASSE DU QUARK TOP ?12Le quark top est une particule élémentaire très massive,découverte en 1995. Un enjeu important en physique desparticules consiste à mesurer précisément sa masse,notamment pour guider la recherche du boson de Higgsqui serait à l’origine de la masse de toutes les particules.C’est l’une des missions du futur collisionneur de protonsbaptisé LHC (Large Hadron Collider), en construction auCERN à Genève. Il fabriquera quotidiennement300 000 quarks top alors qu’aujourd’hui, la production estd’environ 10 000 unités par an. Jusqu’en 2000, des physiciensdu Dapnia à Saclay ont simulé le fonctionnementd’un des deux principaux détecteurs de l’accélérateur,avec un objectif en tête : comment optimiser la conceptionde l’instrument pour favoriser l’identification et la caractérisationdes particules produites au LHC ? Leur travailconsiste aujourd’hui à préparer le traitement de l’énormemasse de données expérimentales.Une aiguille dans une botte de foinDans le LHC, quarante millions de collisions de «paquets»de protons se produiront chaque seconde. Seules les plusintéressantes d’entre elles (une centaine) pourront êtreenregistrées. Parmi ces collisions, le quark top sedésintègre, sitôt produit, en différentes particules, suivantdes schémas plus ou moins probables. Ce sont cesparticules qui pourront être arrêtées par le détecteur etobservées. De la mesure de l’énergie cinétique desparticules filles se déduit la masse de la particule mère.Pour préparer l’expérience, il faut sélectionner un schémade désintégration particulier dont la signature ne puissepas être confondue avec celle de désintégrations banales.Cette contrainte conduit à ne rechercher qu’un centièmedes désintégrations de quarks top. La simulation décritl’ensemble de ces événements dans l’environnementdétaillé du détecteur, où même les passages de câblessont pris en compte, pour comparer, le moment venu, cesrésultats à l’expérience.Contact : jschwindling@cea.fr(Dapnia)Objet Production de quarks top sur 6 jours au LHCTemps de calcul50 000 heuresNombre de processeurs 100Nombre de lignes de programmation 100 000> Simuler pour expérimenter1 En octobre 2004, un élément du détecteur Atlas a été mis en place dans lazone expérimentale souterraine du futur accélérateur LHC du CERN. Atlaspermettra d'étudier des particules comme le quark top ou le boson de Higgs,produites à partir de la collision de protons.2 Simulation de la production et de la détection de particules (ici le boson deHiggs) : la trajectoire des traces chargées et les dépôts d’énergie sont représentés.ZoomLes physiciens des particules demandent des puissances de calcul colossales,disponibles dans des grands centres de calcul dédiés. Pour traiter lesdonnées qui seront fournies par le LHC, il leur faudra conjuguer l’ensembledes ressources de ces centres dans des « grilles virtuelles » gigantesques.Le besoin de calcul se chiffre en effet en dizaines de milliers de processeurs !11Modélisation et Simulation

Modélisation et SimulationQUELLES QUANTITÉS D’URANIUMET DE PLUTONIUM Y A-T-ILDANS UN FÛT DE DÉCHETS?Inspecter des déchets radioactifs conditionnés dans un«colis» de béton ou d’acier sans l’ouvrir, c’est possible en« interrogeant » ce colis grâce à un rayonnement gamma.fraction infinitésimale des matières fissiles contenues dansle colis. Des neutrons accompagnent cette réactionnucléaire et sont détectés. Les signaux recueillis nepeuvent être interprétés qu’en effectuant une simulationminutieuse de l’expérience. Le modèle prend en compte lastructure interne du colis, ainsi que la description duEFFETS DES RAYONNEMENTSSUR LE VIVANT : DU GÈNE AUX PROTÉINESidentifiés au préalable par des travaux de radiobiologie(effectués notamment au centre CEA de Fontenay-aux-Roses) pour trouver les « domaines ». Les domainesprotéiques correspondants sont synthétisés au laboratoirepuis analysés par RMN (voir p.12). Leurs structures spatialessont déduites de ces données grâce à un puissant> Simuler pour expérimenterDans l’installation Saphir 1 du CEA LIST 2 à Saclay, cecontenu (béton, vinyl, ferraille, etc.). Dans un modèle àprogramme de reconstruction. L’étude expérimentale durayonnement est produit indirectement grâce à un accélé-près de cent millions de particules, le calcul Monte-Carlomélange entre deux protéines fournit ensuite des informa-rateur d’électrons et provoque la « photofission » d’une(voir p.4) décrit tous les processus physiques depuis lestions biochimiques et biophysiques qui vont à leur tourélectrons jusqu’aux neutrons. La réponse attendue est laalimenter une simulation des protéines en interaction pourteneur en uranium et en plutonium du colis.accéder à la structure des complexes.Contact : mehdi.gmar@cea.fr1QUELLE EST LA STRUCTUREDE CE BRIN D’ADN ?Pour connaître la structure d’un brin d’ADN dans l’espace,il est souvent nécessaire de recourir à une techniqued’analyse complexe, la Résonance magnétique nucléaire(RMN). La formule chimique du brin étant connue, la RMNfournit des informations sur certains atomes parmi les plusfréquents dans les molécules biologiques, notamment deséléments géométriques relatifs aux liaisons chimiques et lesdistances interatomiques. À partir de données interprétéespar l’expérimentateur, un calcul numérique permet deZoom : protéine in silicoSans aucune donnée expérimentale,il est possible de reconstituernumériquement la structure d’uneprotéine dans l’espace avec saseule formule chimique.Rechercher des analogies dans labanque de données des protéinespermet d’édifier pas à pas unestructure plausible, qui répond àdes critères de stabilité.Ci-dessus : reconstitution de la structure spatiale d’une protéine à partir d’unebase de données.(LIST / Département des technologies du capteuret du signal)1 Système d’Activation PHotonique et d’IRradiation.2 LIST : Laboratoire d’intégration des systèmes et des technologies.ZoomUtilisant un principe voisin de celui de Saphir, le projet européen Euritrack viseà détecter la présence d’explosifs ou de drogues dans des containers debateaux, sans les ouvrir. Le LIST est coordonnateur du projet.reconstruire une structure spatialepossible de l’ADN. Il reste à soumettreces structures calculées à l’épreuved’une simulation numérique dynamique.En d’autres termes, il s’agit detester les mouvements « naturels » de lastructure et d’observer sa stabilité. Sielle se déforme, si des liaisonschimiques cassent, si des atomes«déménagent», la structure ne peutcorrespondre à la réalité et doit êtreéliminée.Contact : yves.boulard@cea.fr,(Département de biologieJoliot-Curie)1 Au premier plan, un accélérateur d’électrons délivre de l’énergie à l’intérieurd’un colis de déchets radioactifs (fût jaune à l’arrière plan). L’interaction entrecette énergie et la matière contenue dans le fût produit des neutrons qui sontanalysés. La simulation permet ensuite d’évaluer la teneur du fût en uraniumet en plutonium.2 Cette image représente la structure d’une molécule d‘ADN, calculée pardynamique moléculaire à partir de données de RMN. Les deux brins d’ADNsont en rose et vert.21Pour comprendre les effets des rayonnements ionisantssur le vivant, il faut commencer par identifier les gènessensibles à ce stress, puis analyser les interactions entreles protéines issues de ces gènes. Ces interactionsrégissent de précieux mécanismes de régulation cellulaire.Plus concrètement, les protéines se rapprochent, attiréesl’une par l’autre au niveau de «domaines» (ou sousstructures)présentant d’intenses affinités chimiques, quiforment des superstructures appelées «complexes». Laconnaissance de ces interactions entre protéines pourraitpermettre ultérieurement de comprendre les mécanismesmoléculaires responsables des processus de cancérisation,voire de contrôler la réparation des dommages del’ADN induits par les rayonnements.À chaque étape, la modélisationDans cette démarche de recherche, la simulation estprésente à chaque étape. Un traitement informatiquedécortique les séquences des gènes « sensibles »,Objet Reconstruire la structure d’une protéineTemps de calcul2 joursNombre de processeurs 10Nombre de lignes de programmation 10 000Gagner du tempsL’élucidation complète de la structure d’une protéine durehuit mois en moyenne pour une structure comportant150acides aminés, au lieu de deux ans avant que le logicielne soit développé. La durée d’une simulation ne dureparadoxalement que deux jours. L’écart entre cette duréeet les huit mois s’explique par l’imprécision des donnéesexpérimentales de la RMN. Il faut éliminer une à une toutesles erreurs qui entravent le calcul de reconstruction. Unedizaine de protéines ont été étudiées suivant ces modalitésdepuis huit ans. Une goutte d’eau pourtant à côté desquelque six mille protéines d’une cellule, dont les multiplesliens se nouent et se dénouent perpétuellement…Contact : bgilquin@cea.fr(Département d’ingénierie et d’études des protéines)face2dessus1 Appareil de résonance magnétique nucléaire, utilisé pour déterminer lastructure de grosses molécules biologiques (protéines, ou fragments d’ADN).Au premier plan, le cryostat contenant la bobine supraconductrice à latempérature de l’hélium liquide : le champ magnétique créé par la bobinepermet d’étudier les propriétés de certains noyaux atomiques.2 Modèle d’un complexe de deux protéines (vu de face et de dessus), résolu grâceà une combinaison de données expérimentales et de simulations numériques.13Modélisation et Simulation

14Modélisation et SimulationSIMULER UNE CENTRALE NUCLÉAIRESimuler le fonctionnement détaillé d’un réacteur nucléairesemble à première vue une gageure. Pourtant, des physiciens,des numériciens et des informaticiens de la Directionde l’énergie nucléaire (DEN) ont développé des logicielssimulant tel ou tel aspect de ce fonctionnement complexe,dont ils ont livré une première version à des clients industrielsdès le début des années 1980. Ils continuent à les faireévoluer en fonction de la demande et les exploitent.Chacune des évolutions des logiciels est qualifiée par desexpériences. Il peut s’agir de tests mécaniques standardssur des matériaux irradiés ou non, d’essais sur les tablesvibrantes du laboratoire Tamaris à Saclay ou encore d’expériencesde neutronique 1 dans des installations dédiées ducentre CEA de Cadarache, appelées « maquettes critiques ».Pièce maîtresse des logiciels actuels, SAPHYR permetd’étudier aussi bien les réacteurs à eau sous pression françaiset les réacteurs à eau bouillante, qui font partie del’offre industrielle d’AREVA, que les premiers prototypesde réacteurs nucléaires à haute température. L’ensemblede ces programmes sera utilisé jusqu’en 2010 par desunités du CEA, de l’IRSN 2 et par des industriels commeEDF ou Framatome, avant d’être relayé par la nouvellegénération de logiciels en cours de développement.SIMULER POUR CONCEVOIRDans de nombreux secteurs, la simulation numérique permet de démultiplier à l’infini des expériences« virtuelles » et donc de balayer un large champ de possibles. Elle s’appuie sur des modélisations issuesd’expérimentations analytiques. Des essais ciblés, conçus pour valider la simulation, restent indispensables.1Les logiciels de la génération actuelleSAPHYR simule les réactions de fission, l’absorption des neutrons produits, ainsique la thermohydraulique 3 du cœur qui influence ces phénomènes. Ce logiciel aservi par exemple à optimiser le renouvellement des crayons de combustible enfonction de l’historique du fonctionnement du réacteur.CAST3M calcule le comportement mécanique et thermique de structures. Il sertpar exemple à prédire l’intégrité de tuyauteries de centrales nucléaires soumisesà des sollicitations thermiques répétées.EUROPLEXUS permet d’étudier la tenue aux chocs des structures. Le choc peutprovenir d’une explosion interne ou externe ou de la chute d’un emballage decombustible.Modéliser des phénomènes couplésDepuis 2001, on assiste à un renouvellement des activitésde simulation, financées à parité par le CEA et l’industrielclient. Des équipes mixtes se regroupent en «plateauxprojets»pour développer une nouvelle génération decodes avec une ambition affichée : concevoir à la base unvéritable couplage entre disciplines (neutronique, matériaux,thermohydraulique, etc.). Cette analyse plus finebénéficiera notamment à la simulation de séquences accidentelles.En parallèle, une exigence supplémentaire sefait jour : intégrer autant que possible des descriptions àdes échelles différentes. Ainsi par exemple, le logiciel quigère tous les circuits de fluides d’une centrale nucléairedoit permettre désormais d’effectuer un zoom sur d’éventuellesbulles microscopiques ! Près de cinquante spécialistesdu centre CEA de Saclay sont mobilisés sur ce vastechantier qui se poursuivra au-delà de 2010. La simulationd’une centrale nucléaire entière n’est plus si loin…2Les logiciels de nouvelle générationDescartes est un code de neutronique.Neptune étudie les écoulements fluides comportant liquide et vapeur.Il gère aussi bien des bulles de dimension sub-millimétrique que lagéométrie complexe de l’ensemble des écoulements d’un réacteurnucléaire, dans les pompes, la cuve, les tuyauteries, etc.Pléiades décrit le combustible nucléaire. Les variations de puissance,nécessaires pour adapter la production d’électricité à la demande, finissentpar déformer légèrement les pastilles de combustible à l’intérieur dela gaine. Ces interactions pastille gaine, de même que l’émission de gazde fission, fragilisent le combustible.Sinergy réunit les modèles physiques des matériaux irradiés à toutes leséchelles (voir p.10). Sinergy permet d’étudier le comportement mécaniquede la cuve du réacteur et des structures métalliques destinées àtenir le combustible à l’intérieur.Alliances décrit un entreposage ou un stockage de déchets radioactifsà haute activité et vie longue, depuis le « colis » en verre qui emprisonnela matière nucléaire jusqu’aux galeries souterraines et l’environnementau sens large. Ce logiciel participe à la démonstration de lasûreté d’un stockage sur une durée proche du million d’années.Contact : francoise.touboul@cea.fr(Département de modélisation des systèmes et structures)1 Neutronique : étude du cheminement des neutrons dans la matière etdes réactions nucléaires qu’ils y induisent.2 IRSN : Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire.3 Thermohydraulique : discipline regroupant la thermique et la mécaniquedes fluides.MODÉLISER DES CIBLESDE SPALLATION6Une cible de spallation est constituée d’un mélange demétaux liquide bombardé par des particules, qui sont ici desprotons issus d’un accélérateur. Elle est le siège de réactionsnucléaires qui produisent des neutrons. Elle constitue doncune source de neutrons, capable en particulier d’alimenterun réacteur sous-critique 1 , destiné à neutraliser des déchets> Simuler pour concevoir34 5radioactifs par transmutation. Des chercheurs du Dapnias’appuient sur des expériences à l’échelle atomique dans unaccélérateur allemand à Darmstadt (Allemagne) pour élaborerdes modèles de ces réactions nucléaires. Ils incorporentensuite ces modèles à un logiciel Monte-Carlo de transportde particules (voir p.4). L’outil de simulation qui en résultepourra être exploité par d’autres unités (du CEA ou non) pourconcevoir, le moment venu, une cible en vraie grandeur,destinée à un démonstrateur. La qualité des modèles duDapnia vient d’être attestée par une expérience réalisée parune équipe franco-suisse au CERN, à une échelle intermédiaireentre celle des atomes et celle de la cible.Contact : sleray@cea.fr(Dapnia)1 Dans un réacteur sous-critique, il suffit de couper l’alimentationextérieure en neutrons pour que les réactions nucléaires s’arrêtent.1 Tuyauterie de la centrale nucléaire de Belleville-sur-Loire.2 Chargement du combustible usé dans la centrale nucléaire de Nogent-sur-Seine :préhension d’un assemblage de combustible.3 La simulation est régulièrement confrontée aux résultats des essais. Ici,des pièces mécaniques subissent après irradiation des tests mécaniquesstandardisés en cellule blindée.4 et 5 Ecrasement d’une pièce cylindrique : calcul EUROPLEXUS et essai.6 L’étude de la réaction élémentaire de spallation (entre un proton et un noyauatomique) est réalisée par des chercheurs du CEA à Darmstadt en Allemagne,grâce à l’accélérateur d’ions lourds GSI.15Modélisation et Simulation

Modélisation et SimulationDES ARCHITECTURESINFORMATIQUES FUTURISTESSimuler par l’informatique une architecture informatiquepeut surprendre à première vue. Les objets simulés sontdes flux d’informations, circulant entre les divers élémentsdu système (mémoire, processeur, etc.). Pour une tâchedonnée, l’efficacité de l’architecture se mesure par la rapiditédu traitement de l’information. Ce type de simulation estaujourd’hui mis en œuvre au Département des technologiesdes systèmes intelligents (DTSI) pour fiabiliser, parexemple, une électronique automobile haut de gamme,composée de 80 processeurs interconnectés.a b c dgefExemple d’architecture informatique du futur intégrantdes technologies classiques et optiques et des nanotechnologies.abcdGuides optiquesDétecteurs optiquesComposant à «spin»CMOSefgComposants RFÉlectronique moléculaireModulateurs optiquesDÉVELOPPER LES POTENTIALITÉSDE LA TOMOGRAPHIE À ÉMISSIONDE POSITONS (TEP)doivent être éliminés. GATE simule ces mécanismesindésirables et permettra de concevoir des algorithmesplus efficaces et compatibles avec la pratique hospitalière.Par ailleurs, lorsque des laboratoires de physique desparticules identifieront un nouveau cristal détecteur auxperformances prometteuses, il sera possible à moindrecoût d’évaluer son intérêt en imagerie médicale.Tester des dizaines de traceursL’ambition ultime de GATE est de simuler le déroulementd’un examen sur un animal ou sur l’homme. Il faut aupréalable modéliser l’ensemble des organes à l’aide> Simuler pour concevoir116Une application plus futuriste consiste à préparer l’horizon2020, qui verra plafonner les performances des technologiesmicroélectroniques actuelles, fondées sur le silicium. Ils’agit d’anticiper la conception d’architectures mixtes,mariant silicium et composants novateurs issus des nanotechnologies1 . Ce travail associe des informaticiens et desphysiciens du DRECAM qui élaborent des composantsélectroniques à partir de nanotubes de carbone et lescaractérisent. A ce jour, leur utilisation la plus probable estCONTRÔLE NON DESTRUCTIFVIRTUEL2Made in Saclay, Civa est le seul logiciel au monde quisimule le contrôle d’une pièce industrielle par ultrasons 1 oucourants de Foucault 2 . Depuis 1995, il a été adopté parune quarantaine d’entreprises, parmi lesquelles Boeing,Framatome, EADS, Arcelor. Civa sert à interpréter lescontrôles, prédire des performances, concevoir denouvelles méthodes et même, prendre en compte la«contrôlabilité» d’une pièce dès sa conception.Une vingtaine de modélisateurs s’attachent à faire évoluerce logiciel pour répondre à de nouvelles attentes :ciblée au niveau de la mémoire. « Poussés » par la technologie,et « tirés » par l’application, les chercheurs tententde prévoir l’impact des technologies émergentes sur lesdemandes futures des consommateurs et des industriels.Contact : thierry.collette@cea.fr(DTSI)1 nanotechnologies : sciences des objets de dimensions comprisesentre le nanomètre (millionième de millimètre) et le micromètre (millièmede millimètre).meilleure précision, complexité géométrique accrue,anisotropie (ou inhomogénéité) des matériaux, etc.Les clients n’hésitent pas à financer des études ou desthèses qui se concrétisent par un logiciel ciblé sur leurdemande. Ils souhaitent en même temps connaître leslimites d’utilisation exactes du logiciel. Un laboratoiredédié à la comparaison entre logiciel et expérience a étécréé à cette fin il y a deux ans.Contact : CALMON@ortolan.cea.fr(DETECS)1 Le principe du contrôle consiste à envoyer des ultrasons sur une pièceet à mesurer la fraction renvoyée vers un détecteur.2 Placée à proximité de la pièce à contrôler, une bobine induit à l’intérieurde la pièce des courants dits de Foucault, qui modifient à leur tour demanière mesurable l’impédance de la bobine.1 Simulation du champ ultrasonore transmis lors du contrôle d'une soudure : ellemet en évidence l’anisotropie et l'hétérogénéité du matériau.2 Simulation d'un contrôle par courants de Foucault : elle permet de visualiserle champ électrique induit par une bobine (avec noyau de ferrite) dans unmatériau multi-couche.1Dans le cadre d’une collaboration internationale, desphysiciens du Service hospitalier Frédéric Joliot (SHFJ) etdu Dapnia ont participé au développement d’un logiciel(GATE 1 ) qui simule la formation d’une image par TEP (voirZoom). GATE est fondé sur un logiciel du CERN qui décritles interactions entre les particules des accélérateurs et lesdétecteurs. Proposé en accès libre depuis mai 2004 à lacommunauté de la médecine nucléaire, GATE constituepour elle une référence commune, pérenne et validée surde multiples appareils. Bien qu’encore inachevé, GATErépond d’ores et déjà à de multiples besoins, pour la TEPcomme pour la tomographie mono-photonique (scintigraphie)ou la radiothérapie.Des algorithmes plus préciset des détecteurs plus sensiblesDes images TEP de grande qualité, élaborées en recherchemédicale, peuvent nécessiter plusieurs jours de calcul.Certains artefacts dégradent la résolution de l’image etZoomLa tomographie par émission de positons (TEP)La TEP consiste à administrer par voie intraveineuse des molécules d’intérêtbiologique, marquées avec des atomes radioactifs à durée de vie très courte,afin de suivre, par détection externe, le fonctionnement d’un organe. Cesatomes-traceurs sont émetteurs de particules appelées positons. A l’hôpital, laTEP est utilisée en cancérologie. Elle exploite le fait que les cellules cancéreusesconsomment davantage de glucose que les autres.d’images anatomiques et réaliser ainsi un « fantômenumérique» du sujet. Pour une pathologie donnée, onpourra optimiser le choix d’un traceur radioactif, le plusspécifique possible, et la dose minimale à administrer aupatient. L’ensemble du protocole d’examen pourra êtreprédéfini par simulation, ce qui divisera par deux, à terme,le nombre d’expériences à réaliser.Contact : jan@shfj.cea.fr(SHFJ)1 GATE : Geant4 Application for Tomographic Emission, où Geant4 estun logiciel développé par le CERN.21ObjetSimuler une image TEPTemps de calcul20 heuresNombre de processeurs 5Nombre de lignes de programmation 100 0003Reconstruction et simulation d’images IRM ou TEP.2 Simulation de l'image TEP d’une source connue, appelée « fantôme ». Cetteimage est comparée à l’image expérimentale obtenue avec la même sourceen vue de valider la modélisation.3 Cette image représente les éléments modélisés dans la simulation : en rouge,une source étalon (ou « fantôme »), en jaune, la couronne de détecteurs de lacaméra TEP, en bleu, la table où s’allonge le patient.17Modélisation et Simulation

FormationFormationL’INSTN :INNOVER POUR MIEUX SERVIRGENÈSEDans les années 50, la France lance un programmenucléaire dont le CEA est le maître d'œuvre. Très vite, ilEuropeL'institut préside un réseau d'établissements ENEN(European Nuclear Education Network). Son programmefaut former des ingénieurs spécialisés dans une structurephare : le Master EMSNE en génie nucléaire.L'Institut national des sciences et techniques nucléaires (INSTN) a pour mission, notamment à traversqui lui est rattachée, ayant des programmes de formationL'INSTN participe également à la formation de chercheursla formation universitaire et professionnelle, de diffuser les savoirs du CEA. Dans le cadre de laaussi divers que les activités du centre de recherche. Ledans le réseau d'excellence EMIL pour l'imagerie molécu-réforme européenne des diplômes, l'institut a actualisé ses filières, sur la base de pédagogies«bras armé du CEA », le définit Dominique Gentile,laire du cancer.innovantes, adaptées aux grands changements technologiques et économiques.directeur de l'INSTN.À suivre d'autres formations comme EMNT, Master euro-PREMIER NÉ DE LA RÉFORME LMD :LE MASTER « MODÉLISATIONET SIMULATION »Rendez-vous était pris pour parler de leur formation. Ils sontlà, rivés à leurs portables. Modéliser ne souffre pas l'attente.Alice, maîtrise de biologie - méthodes mathématiques,reprend ses études. C'est la diversité des modules qui luia plu. Elle a choisi celui qui traite d'environnement, commeClaire, maîtrise de physique, qui découvre que « modéliserles climats, c'est pas seulement modéliser un fluide ».Diplômé en génie thermique, Pierre s'étonne : « les profs sesont adaptés à nos profils très différents ». Il enchaîne : « onva droit au but ! on utilise très vite des outils de modélisationinformatique». «C'est ça ! on a l'impression d'être déjàopérationnels» complète Laurène, de l'école des mines.Frédéric, ingénieur télécoms, avait envie de tout. Sonemploi du temps est saturé. Il suit le cours d'épistémologieet conclut « c'est fou ce que la simulation apporte dansInterviewDaniel Bouche, responsable duMaster «modélisation et simulation»,directeur de recherches au CEA,Direction des applications militairesDossier : Norbert EvangelistaQuel est l'objectifpédagogique ?Donner une triple compétence :analyser un système physique, le mettre en équations, enfinle numériser pour qu’il puisse être simulé sur ordinateur.Exemples de simulation ?Le dépliement du prion, un problème d'actualité, la modélisationdu climat, les expériences defusion thermonucléaire...Stages et débouchés ?En recherche, il y a plus de thèsesproposées que de candidats. Lesindustriels sont prêts à embauchernos étudiants : avec des jeunes quimaîtrisent les outils de simulation, ilsgagnent en compétitivité.Sa mission est de valoriser les savoirs du CEA auprès desuniversités, des écoles d'ingénieurs, des entreprises et dusecteur médical.L'INSTN emploie une centaine de permanents, s’entourede spécialistes, chercheurs, ingénieurs, médecins quigarantissent un contact étroit avec les derniers développementsdes sciences et techniques.L'INSTN est en bonne position sur les pôles de compétitivité,souligne Dominique Gentile. Sa réactivité et sonatypisme lui confèrent un rôle important par une sorte«d'effet de levier», notamment par la mise en oeuvre duLMD et, plus largement, une formation active et associée àla construction de l'espace européen d'enseignementsupérieur.La formation continueCe sont 700 sessions de formation continue par an quisont organisées par l’INSTN pour environ 8000 salariés.Elles s’adressent aux chercheurs et ingénieurs du secteurpéen en technologie nucléaire.PartenariatL'Ecole Polytechnique, l'université Paris XI et l'INSTN se sont associés, dans lecadre d'un projet de Master professionnel dédié à l'ingénierie, pour former deschefs de projet capables de maîtriser tous les aspects de la chaîne de conceptiond'un système industriel complexe.Son approche est scientifique, technique, mais aussi managériale. Les débouchésse situent dans les secteurs de l'industrie, du transport, des équipements et del'informatique.ce domaine».de l'énergie (CEA, EDF, Areva), aux professionnels d’orga-On n'arrête pas le progrès. A l'INSTN on lui emboîte le pas.nismes tels que la DGSNR et l’IRSN, ainsi qu’aux salariésPierre le traduit à sa façon : « cette formation talonne lade PME pour 30 % du volume d’activité.recherche et le progrès ».L'INSTN occupe une place stratégique dans le secteur duLes logiciels qu'ils utilisent ne sont pas de simples outilspédagogiques. Ils sont partout dans l'industrie et lanucléaire et se positionne désormais dans d'autres domainesd'excellence du CEA, notamment les micro-nano-418recherche.Ce Master est le premier habilité dans le cadre de la réformeLMD. « Il est à la fois unitaire et pluriel » explique FrankJedrzejewski, co-responsable de la formation : l’informatiqueest un module obligatoire, les autres sont optionnels 1 .1 Les modules optionnels :Climatologie. Mécanique des fluides. Simulation des phénomènes ondulatoires.Transport de particules. Physique des plasmas. Simulation enastrophysique. Outils mathématiques pour les équations aux dérivéespartielles. Maillages et visualisation.Unités du CEA impliquées :Direction des sciences de la matière (DSM)Direction de l'énergie nucléaire (DEN)Direction des applications militaires (DAM)1LMD : la plus grande réforme universitaireen Europe depuis 68Elle vise à instaurer d'ici 2010 un espace européen de l'enseignement supérieurdans lequel personnels et étudiants pourront évoluer et avoir une justereconnaissance de leur qualification.Simplifier : elle prévoit la délivrance d'une Licence trois ans après le Bac, d'unMaster à cinq ans et d'un Doctorat au bout de 8 ans.Harmoniser : déjà en place dans les trois quarts des universités européennes,elle permettra d'organiser la formation avec des partenaires étrangers et devraitêtre étendue aux autres établissements supérieurs.3technologies et les nouvelles technologies de l’énergie.21234Pierre, Claire, Alice, Laurène, Emilie, Frédéric : six des seize étudiants de lapremière promotion du Master « modélisation et simulation ».Dominique Gentile, directeur de l’INSTN depuis mai 2003, président del’université de Versailles Saint-Quentin de 1998 à 2002.Grâce à son réacteur d’enseignement Ulysse, l’INSTN assure la formation desfuturs ingénieurs en Génie atomique dans les meilleures conditions.Des étudiants d’autres cursus viennent également se former auprès duréacteur. Ici, des élèves de l’option énergétique – environnement de l’EPFEcole d’ingénieurs s’apprêtent à réaliser un démarrage de l’installation.L’INSTN propose plus de 160 thèmes de sessions de formation continue.Dans le domaine des statistiques, les participants apprennent à exploiter,interpréter et analyser des résultats de mesures physiques.19

FormationFormationL’INSTN À LA FRONTIÈRE DESSCIENCES ET DES TECHNIQUESSa mission principale est donc de transformer les savoirsissus de la recherche en enseignement, et ce, le plus rapi-FORUM : L'ÉCURIE GTIIls sont scientifiques, gestionnaires ou économistes,seront ingénieurs R&D, chefs de projet, chargés d'affairesou de valorisation..., formés à gérer le passage de larecherche au marché.Pour acquérir cette double compétence, technologie etgestion, ils ont choisi le DESS « Gestion de la technologieet de l’innovation » (GTI), une formation pluridisciplinairequi repose sur un solide partenariat entre l’INSTN etLes autres masters(sciences, technologie et santé)Ingénierie, traçabilité, développement durableChimie et applicationsMatériauxPhysique et applicationsSciences de l'environnementPhysique médicaleBiologie, santéSystèmes d'informationSciences économiques et gestionPaul Maitre, adjoint au directeur de l'INSTNIl y a eu la révolution industrielle, incarnée par lamachine à vapeur, puis le développement del’électricité. Actuellement, nous vivons de nouveau unegrande mutation scientifique et technologique. Celle-cimobilise les sphères de l’énergie, du vivant, des matériaux,du temps que l’on compte maintenant en nanosecondes.Sur ces quatre axes, on assiste à une fertilisation croisée etune convergence. Cela signifie que la plupart des futuresdécouvertes se feront à l’intersection des disciplines scien-dement possible et au meilleur niveau. Ceci est vital pourrenouveler les compétences, non seulement dans le mondede la recherche, mais également dans l’industrie qui ne peutêtre compétitive sans un flot continu d’innovations.Tous les secteurs d’activité du CEA sont concernés par cesenjeux : le nucléaire, les nouvelles technologies de l’énergie,les technologies de l’information et de la santé, ainsi que lesystème de défense.Dans cette compétition mondiale, le triptyque gagnant seconstruit dans l’articulation de la recherche fondamentale etl’université Paris Dauphine.tifiques. Le CEA, de par ses recherches interdisciplinairesappliquée, de la formation et de l’industrie. C’est cetteJérémy, 24 ans, DEA en conception de produits etinnovationIl y a des formations concurrentes dans des écoles decommerce ou des universités. Mais aucune ne bénéficiedu soutien technologique du CEA. C’est la force du DESS !Christian, 22 ans, maîtrise de sciences économiquesPour mon mémoire, je travaille sur une technologie développéepar le CEA. Il me faut me l’approprier sur le plan techniqueet ensuite analyser ses chances de succès sous un anglesocio-économique. Un projet concret comme on n’en proposepas ailleurs.Jonathan, 24 ans, maîtrise d'économie et gestion du sportC'est une formation très appliquée, professionnalisante.Nous avons la chance de rencontrer des chercheurs du CEAsur leur terrain. Nous sommes directement confrontés auxréalités de la recherche.Jacqueline, 22 ans, maîtrise d'économie appliquéeJe réalise que la technologie est un enjeu capital dans la courseà l’innovation et la compétitivité inter-entreprises.Cédric, 24 ans, ingénieur matériauxNotre groupe étant hétérogène, nous avons une approchedifférente. La confrontation de plusieurs logiques, de plusieursvisions est une vraie richesse. On mutualise les compétences.C’est un énorme atout.Nadia, 24 ans, ingénieur en génie biologiqueOn réalise des veilles technologiques et stratégiques pour deslaboratoires du CEA, puis une étude de marchés pour uneentreprise de type start up. C’est valorisant de travailler avecdes experts. Ils ont des besoins concrets et attendentde nous des réponses. C'est un premier pas dans lavie professionnelle qu’on pourra faire valoir lors denos entretiens d'embauche.E-learning : une mine d'or bientôt en ligneDu complément documentaire jusqu'à l'auto-formation, l'apprenant aura accèsaux cours faits par les chercheurs du CEA.L'INSTN est membre actif du consortium UNIT (Université numérique eningénierie et technologie) ce qui lui permet de mutualiser des ressources avecles autres partenaires (grandes écoles, universités, départements de formationcontinue de certaines universités).2 413sur l’atome et l’énergie nucléaire, a toutes les cartes en mainpour être au rendez-vous de cette révolution de l’infinimentpetit.Pour explorer ces nouveaux horizons, il faut attirer et formerdes étudiants au plus haut niveau, afin qu’ils puissent irriguerla recherche et l’industrie, et favoriser ainsi l’innovation.Sans une mobilisation des jeunes dans cette révolutionscientifique et technologique, la France, l’Europe risquentd’être marginalisées de cette économie principalementfondée sur le savoir.L’INSTN, créé par le CEA pour répondre à ses besoins enmatière de formation, se trouve de fait placé,comme le CEA, au coeur de ces transformationsscientifiques. L’institut peut jouer un rôledéterminant dans la création de formationsinnovantes basées sur les meilleurs laboratoiresdu CEA et en partenariat avec les universitéset les écoles.logique qui est à l’oeuvre dans les pôles de compétitivitéanciens et futurs. L’INSTN est prêt à y apporter sonconcours avec toute la réactivité qui le caractérise etque nécessitent les avancées des sciences etdes techniques.51 Jacqueline, Christian, Jeremy, Cédric, Jonathan et Nadia, étudiants du DESSGestion de la technologie et de l’innovation dispensé par l’INSTN etl’université Paris Dauphine.2 Des étudiants du DU de spécialisation pharmaceutique « biopharmacie etbiodynamique » (Université Paris V) préparent des couches minces en vue demesurer la pureté radio-chimique d’une molécule marquée par chromatographie.3 Paul Maitre, adjoint au directeur de l'INSTN.4 Les étudiants de la promotion 2004 du DESS Economie et politique de l’énergie,enseignement organisé par l’INSTN et l’université Paris X-Nanterre, axé sur lagestion des nouvelles technologies de l’énergie (solaire, éolien, biomasse...).5 Au laboratoire de radiochimie, un étudiant prépare un échantillon contenantdes actinides avant son analyse par spectrométrie PERALS.2021

ActualitésDU LABORATOIRE À L’ENTREPRISESUCCESSFUL AGING DATABASE :DES EXPERTS DE LA GESTION DU CAPITAL SANTÉAider à mieux comprendre et combattre par la prévention les mécanismes du vieillissement sur labase d’informations scientifiques, tel est l’objet de la société Successful Aging Database.Jusqu’alors spécialiste, au centre CEA de Saclay, de labiologie du vieillissement, Bruno Corman a décidé, en 2001,avec Jean-Jacques Hardy et Gilles Hamon, de créer sasociété. L’entreprise, installée à Boulogne (92), comptesix personnes. Un fonds documentaire dédié au vieillissement,des informations scientifiques sélectionnées, desétudes « sur mesures » et des formations orientées versInterviewBruno CormanPourquoi le CEA s'intéresse-t-il à laphysiologie du vieillissement ?Bruno Corman : les mécanismes du vieillissement sontproches de phénomènes biologiques liés aux rayonnements.Le Service hospitalier Frédéric Joliot (CEA) étudie aussi lefonctionnement du cerveau et les maladies dégénérativesque l'on rencontre au cours du vieillissement.Qu'est-ce qui vous a conduit à fonder Successful AgingDatabase?Bruno Corman : c’est un concours de circonstances favorisépar la politique d'essaimage du CEA et l'application des loisAllègre sur la création d'entreprises par les chercheursdépendant des grands instituts.Le lancement des incubateursd'entreprises comme celui de Gifsur-Yvette(Incuballiance), dont leCEA est membre fondateur, ainsique les programmes de formationdéveloppés par HEC, ont égalementcontribué à favoriser cette orientation.Autisme et voix humaineUne étude menée au Service hospitalier Frédéric Joliot au sein de l'équipe mixteINSERM-CEA «Imagerie Cérébrale en Psychiatrie », en collaboration avec leCentre de recherche en neuropsychologie et cognition (Cernec) et l'Universitéde Montréal, révèle une incapacité des autistes à activer les aires cérébralesspécifiques de la reconnaissance de la voix humaine. Ces résultats étayentl'hypothèse selon laquelle les difficultés relationnelles des autistes seraientliées à un déficit de laperception des stimulisociaux.22la prévention sont les vecteurs choisis par Successful AgingDatabase.Un comité d’experts valide les informations qui constituentle fonds documentaire S@Database de l’entreprise, sélectionneen permanence des publications parmi 2 500 journauxscientifiques internationaux et assure la cohérencedes références bibliographiques. Cet outil, accessible surInternet à l’adresse www.successaging.com, intéresse leschercheurs et les professionnels de santé ainsi que lesentreprises des secteurs pharmaceutique, agro-alimentaireou cosmétique.Les informations sont déclinées sous forme de recueils oude dossiers thématiques. Alors que les données deS@Database sont essentiellement en anglais, SuccessfulAging Database assure aussi la traduction en françaisd’une sélection de ces données, pour répondre au besoindes médecins, des kinésithérapeutes ou des infirmières.Formation et préventionÀ l’attention de ses clients impliqués dans une démarchede prévention, comme les compagnies d’assurance, lescaisses de prévoyance, les mutuelles ou les organismes deformation permanente, Successful Aging Databasepropose des formations de sensibilisation à la gestion ducapital santé. Les thèmes abordés sont, par exemple :«nutrition», «prévention des maladies cardio-vasculaires»,«le sommeil», «la gestion du stress et du temps».BrèvesMaladie de Parkinson : corriger les troubles associésUne équipe de chercheurs et de cliniciens du Servicehospitalier Frédéric Joliot au CEA et de l'UniversitéParis XII, a montré, dans une étude pré-clinique, quela stimulation électrique du cortex moteur permetde corriger les troubles associés à la maladie deParkinson. Cette stimulation améliore significativementles symptômes associés à la maladie, tout ennormalisant l'activité neuronale des noyaux grisprofonds et ce, sans qu'aucun effet secondaire n'aitété constaté. Mis au point et validé sur modèle animal, ce nouveau traitement,basé sur une stimulation peu invasive permet de faire évoluer les traitementsactuels et facilite la prise en charge d'un plus grand nombre de patients. Uneapplication clinique chez l'homme est prévue dans les mois à venir.CYCLOPE JUNIORSLes thèmes choisis et la manière de les exposer sont spécialement conçus pour être accessibles auxjeunes. Ces conférences sont destinées aux collégiens et lycéens essentiellement, qui peuvent veniraccompagnés de leurs parents.Mardi 15 février 2005à 20 h 00Séismes et tsunamis :à l’écoute de la terreCONFÉRENCES CYCLOPE JUNIORSPar Thierry Payen et Emmanuel Jeanvoine du Laboratoired’Etudes Mécanique et Sismique du centre CEA de Saclay ;Yves Cansi et Hélène Hébert, du Laboratoire de Détectionet de Géophysique du centre CEA de Bruyères-le-Châtel.Le CEA développe depuis longtemps des compétencesmultiples relatives à l'étude des manifestationsviolentes de la Terre que sont les volcans, les séismes etles tsunamis.La tectonique des plaques est la théorie qui permetd’expliquer conjointement ces phénomènes. En effet,les sursauts terrestres sont générés par le frottementdes différentes plaques océaniques et continentales quiconstituent la surface de notre planète.À partir de l’étude des séismes et des tsunamis, quesait-on de cette théorie ? De quels moyens desurveillance dispose le CEA ? Quels sont les effets desséismes sur les constructions, comment les étudie-t-onet comment peut-on améliorer l’intégrité desstructures ? Quelles recherches mène le CEA dans cesdomaines ? Les conférenciers répondront à ces questionsà partir de nombreux exemples, en liaison notammentavec les récents événements survenus à Sumatra.1> Renseignements pratiques, lieux et accès en page 24.23134Séisme en Turquie2 Le sismographe de Zhang Heng (an 132) : une bille de bronzetombe dans la gueule d’un crapaud et signale, par son bruit, lasurvenue d’un séisme. Le crapaud récepteur permet d’estimer ladirection de l’épicentre.Un capteur sismique vertical moderne.4 Le Département analyse surveillance environnement (DASE) ducentre CEA de Bruyères-le-Châtel a reconstitué par simulationnumérique la propagation du tsunami du 26 décembre 2004 dansl’Océan indien. Ce tsunami a été provoqué par l’un des plusimportants séismes jamais observés. Son épicentre était situé enmer, au Nord-ouest de l’île de Sumatra. La simulation met enlumière la réflexion du tsunami sur la côte orientale de l’Inde etle Sri-Lanka.23