Les conditions d'implantation d'un nouveau synchrotron et le rôle des très grands équipements dans la recherche publique ou privée, en France et en Europe. Tome 1.

II - LA NÉCESSITÉ D'UN SYNCHROTRON POLYVALENT, PLURIDISCIPLINAIRE ET ÉVOLUTIF

1. La nécessité d'une machine nationale et les critères externes de choix de ses caractéristiques

1.1. La proximité et l'accessibilité aisée, deux conditions essentielles pour l'utilisation du rayonnement synchrotron

Un synchrotron multinational comme l'ESRF constitue sans aucun doute une machine de choix, au sommet des performances dans certains domaines. C'est d'ailleurs essentiellement parce qu'il s'agissait de repousser les limites technologiques de l'époque qu'une coopération multilatérale s'est nouée avec succès pour sa construction.

Toutefois, une machine internationale présente les inconvénients de ses avantages. En premier lieu, le succès de l'ESRF multiplie les demandes d'accès à ses lignes de lumière, entraînant une sélectivité de plus en plus poussée de la part du comité de programmes qui examine les projets de recherche déclarant nécessiter un accès à la machine.

Par ailleurs, construit et exploité sur des bases multinationales, la part d'un pays dans l'investissement de départ et dans les frais de fonctionnement se traduit par un quota de fait dans les temps d'accès au synchrotron, même si une certaine marge de dépassement est autorisée en fonction de la qualité des projets.

Par ailleurs, les procédures d'accès qui impliquent nécessairement l'ensemble des pays partenaires, présentent une certaine lourdeur dans l'instruction des demandes, ce qui amplifie les délais d'accès aux lignes de lumière.

1.2. Une machine indispensable pour des expériences préliminaires ou aléatoires et pour des contrôles intermédiaires

Le caractère international d'un synchrotron comme l'ESRF et la pression de la demande poussent à rationaliser son exploitation.

On ne saurait passer sous silence le fait qu'il existe une sorte de compétition mondiale entre les synchrotrons de 3 ^ème génération de haute énergie construits à la même époque, à savoir l'ESRF lui-même, le synchrotron APS aux Etats-Unis et la machine Spring-8 au Japon. Cette compétition est réglée à coup de publications dans les revues d'audience internationale, et la direction de l'ESRF a eu à coeur d'en relever le défi ces dernières années

En conséquence, un synchrotron du type de l'ESRF aura certes tendance à oeuvrer dans des domaines de pointe mais aussi à sélectionner les projets qui maximiseront le potentiel de l'installation et pourront déboucher sur des résultats publiables dans des revues d'audience mondiale, au détriment des projets plus gourmands en temps de faisceau et au total plus aléatoires.

Un synchrotron national est donc indispensable d'une part pour faire les manipulations préliminaires à celles prévues sur une machine comme l'ESRF, par nature peu généreuse en temps machine du fait de l'encombrement de ses lignes et d'autre part, selon l'expression de M. Jacques FRIEDEL, pour " décortiquer " un problème difficile.

Elle est également déjà indispensable pour réaliser les contrôles intermédiaires qui s'imposent dans des expérimentations complexes et longues comme la cristallisation des protéines.

On sait que ce n'est pas l'état naturel d'une protéine que d'être cristallisée. Pour autant leur préparation sous cette forme est indispensable pour déterminer leur structure par diffraction de rayons X produits par un synchrotron.

Dans les cas les plus acrobatiques, il peut être capital de vérifier qu'un procédé conduit à des résultats satisfaisants. D'où l'intérêt de pouvoir faire très rapidement les manipulations de contrôle ou de " screening " que seules permettent des installations dont la gestion est souple et avec les responsables desquelles les relations sont étroites, fréquentes et confiantes.

1.3. Un synchrotron national indispensable pour participer aux recherches sur les méthodes d'analyse de la matière

Une autre exigence rend indispensable un synchrotron national : c'est celle de la participation à une démarche de progrès qui continuera encore de longues années dans le domaine des synchrotrons.

L'oeuvre accumulée par la communauté française du rayonnement synchrotron, entendue comme rassemblant à la fois les concepteurs et les utilisateurs, et les compétences acquises par ceux-ci méritent certainement que les moyens leur soient donnés, pour la compétitivité de la recherche française, de continuer à participer au premier rang à la compétition internationale sur les applications des rayonnements électromagnétiques produits par des synchrotrons.

A cet égard, l'on ne saurait trop insister sur le fait que des marges de progrès considérables existent encore sur les synchrotrons de 3 ^ème génération, sans parler de la nouvelle frontière constituée par les équipements complémentaires que constitueront selon toute probabilité les lasers à électrons libres.

Parce qu'au-delà des synchrotrons eux-mêmes, il s'agit aussi de disciplines à applications multiples sur les instruments de la physique, il convient que la France continue son travail sur l'optique des lignes de lumière et l'instrumentation, en particulier sur les détecteurs et l'informatique d'exploitation des données, sur lesquelles ses positions acquises sont d'ores et déjà considérables. La réussite dans ces domaines passe par la libre disposition d'une machine.

A cet égard, il faut citer l'exemple désastreux de la neutronique en Italie, signalé à vos Rapporteurs par M. Roger BALIAN, membre de l'Académie des sciences et confirmé par M. José TEIXEIRA, directeur adjoint du laboratoire Léon Brillouin (LLB) de Saclay.

L'école italienne de la physique neutronique a occupé l'une des premières places mondiales, jusqu'à ce que la fermeture du réacteur nucléaire dont elle disposait en Italie, la condamne à une mort lente que l'accès à des sources européennes comme l'Institut Lauë-Langevin (ILL) de Grenoble ou le LLB de Saclay n'a pu que ralentir mais en aucun cas éviter.

Le statut de " chercheur international " passant sur une machine internationale pour compléter les expériences réalisées sur le sol national est certes celui que l'on rencontre aujourd'hui en particulier dans le domaine des synchrotrons.

Il ne saurait être confondu avec celui de " chercheur errant " d'une machine étrangère à une autre, au gré de créneaux de disponibilité toujours rares et âprement disputés.

2. L'énergie et les dimensions de la machine optimale

Parmi les controverses auxquelles vos Rapporteurs ont assisté pendant les trois mois de préparation de la présente étude, celle de l'énergie optimale d'un synchrotron est sans doute la plus aiguë.

Certes il n'est plus question aujourd'hui de rééditer la construction de synchrotrons d'énergie de 6 ou 7 GeV comme l'ESRF ou l'APS, mais, grâce aux progrès des onduleurs, d'obtenir des performances voisines de celles de ces derniers avec des énergies moitié moins élevées.

Pour autant, il est apparu un débat pour le moins vif, entre les tenants de la thèse d'un optimum existant actuellement dans la gamme 2,5-3,5 GeV et ceux de la thèse suivant laquelle le progrès déjà enregistré pourrait s'accélérer et conduire à des machines de 1,5 GeV quatre fois moins coûteuses et tout aussi performantes que les synchrotrons de 2,5 GeV dont la construction a été décidée récemment.

En réalité, il semble bien que la notion d'optimum d'énergie soit une notion recevable, résultant d'ailleurs d'un consensus international fondé sur l'expérience.

Il reste que la question est bien, à ce sujet, d'arbitrer entre l'urgence de satisfaire des besoins bien réels et l'intérêt d'attendre l'apparition improbable d'une rupture technologique dont l'application se ferait dans un champ de ruines.

2.1. La question de l'énergie de la machine

L'une des critiques implicites faites au projet SOLEIL est un flottement supposé dans le choix de son énergie. Celle-ci, en effet, a été réévaluée au fur et à mesure des travaux de définition de la future machine, passant de 2,1 GeV à la gamme de 2,5-2,75 GeV dans la version finale de l'avant-projet détaillé.

Or la fixation du niveau d'énergie ne saurait prendre l'aspect d'une question idéologique ou constituer un argument de négociation.

Le premier argument en faveur d'une énergie " basse " , c'est-à-dire inférieure à 2 GeV est qu'une physique importante et intéressante nécessite des faisceaux présentant ces caractéristiques. Si cette position est incontestable, deux de ses corollaires ne semblent pas exacts.

En premier lieu, il est vrai qu'en cas de nécessité, un tel synchrotron une fois construit peut être modifié de façon à délivrer, malgré son énergie insuffisante, des faisceaux de rayons X durs de qualité. Mais il s'agit de modifications coûteuses, comme le montre l'exemple de la source ALS de Berkeley qui a subi à grand prix des transformations de ce type, lors de son passage de 1,5 à 1,9 GeV.

En deuxième lieu, une machine de faible énergie serait à recommander parce qu'elle seule pourrait produire les faisceaux de basse énergie dont la physique a besoin dans certains domaines, toute dégradation volontaire de faisceaux depuis les hautes énergies vers les basses énergies s'accompagnant de " parasites " altérant leur qualité. Cette observation ne semble pas fondée à de nombreux experts.

Au final, il semble qu'il y ait plus d'inconvénients techniques et scientifiques que d'avantages à sous-dimensionner l'énergie d'un synchrotron lors de sa conception et de sa construction initiale en dessous de la valeur optimale.

Au reste, comme l'a souligné à plusieurs reprises devant vos Rapporteurs, le Professeur Jochen SCHNEIDER, Directeur du Hasylab de Hambourg, la vraie question est non pas tant celle de l'énergie de la machine que celle de la stabilité et de la brillance des faisceaux.

Les progrès récents des onduleurs sont décisifs et ne sont d'ailleurs pas terminés, de sorte que l'énergie doit être définie de façon que leur utilisation soit possible.

Or le paramètre de la durée de vie est décisif et dépend étroitement de l'énergie. Une énergie " basse " oblige en effet à réinjecter à intervalles réguliers des électrons dans l'anneau. Or " la différence entre des faisceaux d'une durée de vie de 18 h et des faisceaux de 2h est la même qu'entre un rêve et un cauchemar " .

Enfin, la question directe a été posée par vos Rapporteurs au Professeur Nils MARTENSSON, Directeur du MaxLab de l'université de Lund (Suède) qui vient d'achever la construction de l'anneau MAX II de 3 ^ème génération, dont l'énergie est de 1,5 GeV.

La réponse du Professeur Nils MARTENSSON , le 9 février 2000, emporte définitivement la question : " si le synchrotron MAX II devait être construit aujourd'hui, compte tenu de l'évolution des besoins et des technologies, l'énergie choisie serait de 2,5 à 3 GeV " .

De fait, cette position recoupe largement celle de plusieurs experts internationaux, comme M. Yves PETROFF, directeur général de l'ESRF ou le Professeur Jochen SCHNEIDER, selon laquelle il existe bien autour de 2,5-3 GeV un optimum en énergie pour un synchrotron de 3 ^ème génération à construire en l'an 2000.

A cet égard, les choix faits par les concepteurs de SOLEIL pour son avant-projet détaillé semblent confirmés dans leur pertinence par le consensus international.

Ces choix sont schématisés dans la figure suivante, où l'on constate un recouvrement de ce synchrotron tant avec l'ESRF qu'avec le projet britannique puis anglo-français DIAMOND.

Figure 17 : Positionnement de SOLEIL par rapport à ses concurrents

Au total, il ne parait pas justifié de s'éloigner des résultats de l'avant-projet détaillé SOLEIL dans le choix de l'énergie du synchrotron national indispensable aux chercheurs français.

2.2. Les voies et les moyens de diminuer les coûts

Parmi les contraintes pesant sur la réalisation d'un synchrotron figure bien évidemment la contrainte financière.

Vos Rapporteurs n'ont eu de cesse, au cours de leur étude, d'apporter des indications incontestables dans un domaine où les batailles de chiffres ont été nombreuses, rendues d'autant plus aisées à conduire mais aussi difficiles à comprendre que les conventions de calcul varient d'un interlocuteur à l'autre, incluant ou non les salaires, les équipements optionnels voire même les laboratoires d'assistance ou d'application.

Les résultats des différentes analyses que l'on peut faire à cet égard sont indiqués ci-après.

2.2.1. Les composantes du coût d'un synchrotron

En prenant comme exemple l'avant-projet détaillé SOLEIL, il apparaît que le coût d'un synchrotron hors salaires est composé à hauteur de 40 % du coût des bâtiments et des infrastructures, à hauteur de 32 % du coût de l'injecteur, de l'anneau de stockage et à hauteur de 28 % du coût des lignes de lumière.

Figure 18 : Répartition des coûts de construction hors salaires d'un synchrotron moderne

En valeur absolue et dans le cas de l'avant-projet SOLEIL, les coûts des bâtiments et des infrastructures ressortent à 437 millions de francs et comprennent notamment le réseau informatique.

Le poste " source " s'établit à 345 millions de francs, comprenant l'injecteur (80 millions de francs), l'anneau (190 millions de francs) ainsi que les postes relatifs aux lignes de lumière (75 millions de francs), à savoir les têtes de ligne d'un coût unitaire moyen de 1 million de francs, les dispositifs d'insertion d'un coût unitaire moyen de 1,7 million de francs et les autres équipements nécessaires.

Le poste " expériences " d'un total de 306 millions de francs correspond aux 24 lignes de lumière proprement dites (optique), aux stations expérimentales et aux laboratoires associés spécialisés dans la préparation d'échantillons.

Il est à noter que certains pays intègrent le coût des dispositifs d'insertion et des têtes de lignes dans le poste " expériences " , ce qui fait alors de ce poste le deuxième avec 32 % du total, après celui des bâtiments et des infrastructures.

Une autre remarque doit être faite.

Il découle de cette structure de coût qu'il peut être très avantageux, lorsque cela est possible, de construire un nouveau synchrotron sur le site d'un plus ancien, les dépenses de construction des bâtiments et des infrastructures, voire de l'injecteur, étant alors considérablement minimisées.

Cette pratique a été utilisée avec succès au MaxLab de l'université de Lund (Suède), au Hasylab de Hambourg ainsi qu'à Berlin.

2.2.2. L'influence de l'énergie d'un synchrotron sur son coût de construction

L'influence de l'énergie de l'anneau de stockage sur le coût du synchrotron a par ailleurs été étudiée à la demande de vos Rapporteurs tant par M. Yves PETROFF que par le LURE.

Selon les résultats du LURE, le coût d'un synchrotron de 1,5 GeV serait situé dans une fourchette de 800 à 1 200 millions de francs (voir tableau suivant).

Tableau 13 : Influence de l'énergie d'un synchrotron sur son coût de construction hors salaires

hypothèse	coûts de construction hors salaires	remarque
synchrotron de 1,5 GeV non évolutive et de taille réduite	820 MF	- circonférence de l'ordre de 90 m - nombre de dispositif d'insertion : 6
synchrotron de 1,5 GeV non évolutif et de taille optimale	1 180 MF	- circonférence de l'ordre de 260 m - nombre de dispositifs d'insertion : 10-12
synchrotron de 1,5 GeV pouvant évoluer vers 2,5 GeV	1 355 MF	- circonférence de l'ordre de 340 m - nombre de dispositifs d'insertion : 14 (+2)
Rappel : synchrotron de 2,5 GeV (SOLEIL)	1 350 MF	- circonférence de l'ordre de 340 m - nombre de dispositifs d'insertion : 14 (+2)

Quant au coût de construction d'une machine de 1,5 GeV construite à cette énergie avec la perspective de la porter ultérieurement à 2,5 GeV, il serait très proche de celui d'une machine construite d'entrée à 2,5 GeV.

Il découle de ces analyses que l'économie réalisable par la diminution d'énergie est faible en l'état actuel des choses.

Elle peut certes atteindre 40 % dans le cas où l'on adopte une taille réduite, mais c'est alors la diminution de moitié du nombre de dispositifs d'insertion physiquement logeables sur l'anneau qui est à la base de l'économie réalisée.

Si, au contraire, on considère qu'il est nécessaire de disposer d'un nombre de lignes comparable à celui d'une machine de 2,5 GeV, alors l'économie n'est plus que de 12 % et encore, sur cette baisse limitée, la réduction de 14 à 10-12 dispositifs d'insertion est-elle la cause principale de l'économie.

En définitive, il semble bien qu'il n'y ait aucune raison, d'ordre économique, qui puisse plaider valablement pour une réduction de l'énergie d'un synchrotron en dessous de la valeur optimale.

On peut aussi constater que la diminution d'un facteur 4 attendue d'un passage de 2,5 GeV à 1,5 GeV est en tout état de cause hors de portée, à moins d'une révolution technologique majeure et somme toute peu probable.

Une considération essentielle mérite d'être rappelée à cet égard, considération qui semble éliminer définitivement l'opportunité d'une machine de " basse énergie " . C'est celle de la dégradation très importante de ses performances, selon le tableau suivant.

Tableau 14 : Performances comparées en fonction de l'énergie

	énergie	brillance à 10 keV	durée de vie des faisceaux
SOLEIL	2,5 GeV	10 ^19	20 h
Machine de 1,5 GeV	1,5 GeV	6.10 ^15 wiggler	1,8 h
ALS (Berkeley)	1,5 GeV	10 ^15	1,6 h

2.3. Les possibilités de baisse des coûts d'investissement

Vos Rapporteurs, soucieux de mettre en évidence des solutions d'accroissement des ressources françaises en rayonnement synchrotron qui soient les plus économes possibles des deniers publics, ont exploré une autre piste, à savoir celle d'une construction concertée et programmée dans le temps, de plusieurs synchrotrons présentant des similitudes importantes.

L'idée est de rechercher des économies d'échelle résultant d'effets de série provoqués par des commandes groupées ou harmonieusement réparties dans le temps. Ce type de solution a pu être plaisamment décrite par le Professeur Georges CHARPAK comme la solution des machines " clonées " .

A vrai dire, une telle approche a été envisagée en 1997 dans un groupe de travail tripartite anglais, français et suisse.

C'est le mérite de M. Yves PETROFF que d'avoir souligné, début 2000, qu'une bonne coordination des achats lors de la construction de deux synchrotrons de caractéristiques voisines pourrait générer des économies de 20 à 30 % sur certains équipements et qu'au final le clone d'un synchrotron devrait coûter 20 % de moins en matière d'investissement et de fonctionnement que le synchrotron originel.

Pour M. Yves PETROFF, c'est moins d'ailleurs l'effet de série que la négociation de réductions tarifaires en l'échange d'un contrat de fourniture à long terme assurant un plan de charge sur plusieurs années aux entreprises contractantes, qui permettrait de générer de telles économies.

Il est incontestable que les effets de concurrence entre les donneurs d'ordre devraient être soigneusement évités, sauf, au contraire, à permettre aux fournisseurs d'augmenter leurs prix.

La vérité oblige toutefois à dire que l'unanimité ne s'est pas faite entre les experts interrogés par vos Rapporteurs sur ce sujet.

Pour les spécialistes du " Central Laboratory for the Research Councils " interrogés à Didcot, les économies d'échelle seraient limitées en raison du faible nombre de fournisseurs. Le LURE quant à lui note que des baisses de prix de 15 à 20 % seraient envisageables sur un petit nombre d'équipements. Toutefois, " des économies d'échelle sont réalisables en partant de la R & D, que ce soit au niveau de la machine ou à celui des lignes de lumière " , sans qu'il soit possible de les chiffrer avec certitude.

Au débit de la thèse des économies d'échelle, il faut également faire figurer la tendance naturelle que pourraient avoir les constructeurs de favoriser leur industrie nationale.

Il reste que le fonctionnement de l'ESRF a démontré qu'avec des procédures d'appels d'offre ouverts à tous les pays, et des programmations soignées des commandes de nature à permettre aux entreprises de s'aménager un plan de charge de longue durée, il est possible de serrer les coûts avec une efficacité considérable.

Non démontrées a priori, ces économies d'échelle semblent toutefois possibles, à condition de faire preuve d'un art consommé du management de grands projets.

2.4. Les ressources indispensables

Les ressources indispensables en lignes de lumière pour la communauté scientifique française ont été recensées par l'équipe responsable de l'avant-projet détaillé SOLEIL, composée des représentants du CEA, du CNRS et de la recherche universitaire.

Pour sa part, le CEA a évalué ses besoins à 4 lignes de lumière équivalent temps plein dont " 0,8 ligne chaude " , ce qui correspond à 6 lignes sur 5500 heures par an.

La part actuelle du CEA dans la consommation française de rayonnement synchrotron étant actuellement de 15 %, elle subirait une augmentation pour atteindre près du quart de SOLEIL dans les 20 années qui viennent. Le CNRS quant à lui n'a pas donné ses évaluations de sa consommation future.

En tout état de cause, c'est sur la base des demandes de la communauté scientifique française que les caractéristiques de SOLEIL ont été arrêtées.

Comme on peut le voir sur le tableau suivant, il n'y a pas d'augmentation du nombre de lignes prévues par rapport à celle qui sont actuellement disponibles sur les synchrotrons DCI et Super-ACO du LURE.

Les améliorations attendues sont d'ordre qualitatif pour l'ensemble des lignes et portent sur le nombre de postes expérimentaux au plan quantitatif, grâce à un meilleur dessin de la machine.

Tableau 15 : Comparaison des ressources actuelles du LURE et des ressources prévues dans l'avant-projet détaillé SOLEIL

installation	nombre de lignes	remarques
LURE	46 lignes dont : - 21 sur DCI - 25 sur Super-ACO	- 21 postes expérimentaux sur DCI - 28 postes expérimentaux sur Super-ACO
SOLEIL (Avant-projet détaillé)	44 lignes, dont : - 30 issues de dipôles - 14 issues de dispositifs d'insertion	comptabilisation dans le plan de financement de 24 lignes seulement, dont : - 10 issues de dipôles - 14 issues de dispositifs d'insertion

On ne peut donc dire que l'avant-projet détaillé SOLEIL se caractérise par une inflation irraisonnée de la demande des spécialistes et des utilisateurs français des synchrotrons.

A cet égard, il faut rappeler qu'un des effets attendus de la construction de l'ESRF était de permettre la fermeture du synchrotron DCI, ce qu'une croissance de la demande de temps de faisceau plus rapide que prévue a rendu impossible.

Au plan qualitatif par ailleurs, l'examen des spécifications des lignes déjà définies dans l'avant-projet montre qu'il s'agit bien d'une machine polyvalente, permettant de traiter tous les types de demandes, que ce soit au regard de l'énergie des faisceaux ou à celui des techniques d'analyse de la matière mises en oeuvre (voir tableau ci-après).

Tableau 16 : Caractéristiques des 14 lignes déjà définies dans l'APD SOLEIL

	nb / dispositif	type de rayonnement	applications
ligne très haute résolution	1 insertion	X mous (10 à 1500 eV)	- propriétés électroniques de la matière - surfaces-interfaces - solides, atomes et molécules
ligne haut flux + focalisation + polarisation	1 insertion	X mous (50 à 2000 eV)	- surfaces-solides - atomes-molécules - chimie-réactivité
ligne diffraction haut flux	1 insertion	X durs (3 à 30 keV)	- biocristallographie
ligne chaude	1 dipôle de courbure	X durs (3 à 12 keV)	- échantillons fortement radioactifs
lignes microanalyse et absorption haut flux	1 puis 2	X haut flux	- caractérisation d'éléments traces - caractérisation de matériaux
lignes très haute résolution	1 puis 2 dipôle de courbure	X mous	- études de surface - études physico-chimiques atomes et molécules
ligne haut flux + focalisation + polarisation	1 puis 2 insertion	X mous	- spectromicroscopie et phénomènes résonants - dichroïsme magnétique
ligne diffraction-diffusion	1 insertion	X mous-X durs (0,8-1,5 keV ; 2-3 keV ; 8-10 keV)	- diffraction de surface et méthodes complémentaires en ultra-vide - diffusion aux petits angles
ligne très haute résolution	1 dipôle	basse énergie	- photophysique - photochimie
ligne absorption et photoémission	1 dipôle	X mous (150-1500 keV)	- propriétés électroniques et magnétiques des surfaces
ligne absorption diffraction couplées	1 insertion	X durs (4-25 keV)	- études in situ dans des conditions extrêmes de température et de pression - études de cinétique
ligne EXAFS dispersif (Extended X-ray Absorption Fine Structure)	1 insertion	X durs (4-17 keV)	- mesures en conditions extrêmes - dichroïsme circulaire magnétique - absorption
ligne optique	1 dipôle	VUV	- test optique et métrologie

Le projet SOLEIL depuis ses origines a subi un nombre très important d'audits positifs.

Comme on pouvait s'y attendre, il apparaît à vos Rapporteurs qu'il serait plus utile à la France de procéder à d'éventuels réglages fins sur l'avant-projet détaillé SOLEIL que de repartir d'une feuille blanche.