La microélectronique : passer du design à la fabrication


Si les puces électroniques se retrouvent aujourd'hui dans de très nombreux objets de la vie quotidienne, c'est qu'elles sont fabriquées en série et contiennent des milliards de composants. Cette production fait appel à des technologies d'une extrême complexité et nécessite donc des infrastructures et des équipements très coûteux.

Publié le 18 octobre 2018


DU SABLE... POUR EXTRAIRE LE SILICIUM
De par ses propriétés de semiconducteur, le matériau de base des circuits intégrés est aujourd'hui encore le silicium. Extrait du sable (oxyde de silicium) par réduction chimique, il est cristallisé sous forme de barreaux de 20 ou 30 cm de diamètre, ensuite sciés en tranches de moins d’un millimètre d’épaisseur qui sont polies jusqu’à obtenir des surfaces lisses à 0,5 nanomètre près. C’est sur cette tranche, appelée wafer, que des centaines de puces sont fabriquées simultanément, grâce à la répétition ou la combinaison d’opérations élémentaires : traitement thermique, nettoyage, dépôt, photolithographie, gravure et dopage. Les dimensions les plus fines obtenues aujourd’hui industriellement permettent de disposer et de connecter des millions de composants de base - les transistors - par circuit, et de multiplier ainsi les fonctionnalités. Cette fabrication collective, qui fait chuter les coûts unitaires, est l’un des atouts majeurs de l’industrie microélectronique. Mais elle durcit aussi les exigences de production : une erreur de manipulation, quelques secondes en plus ou en moins et ce sont plusieurs centaines de circuits qui finissent à la poubelle…

LE DESIGN DES CIRCUITS
Impossible de concevoir un circuit de plusieurs millions d'éléments sans l'aide de l'ordinateur : tout concepteur de puces recourt à la CAO pour déterminer les principales fonctions, puiser des modules dans des bibliothèques informatisées, arranger ces modules les uns par rapport aux autres, simuler le fonctionnement global... L'exercice est long, difficile et incroyablement minutieux : en imaginant qu'un micro-processeur de 100 millions de transistors ait la taille d'un carré de 6 km de côté, chaque isolant de grille de transistor aurait une épaisseur d'un millimètre seulement !


6 étapes clés de fabrication
 1- Le traitement thermique


Réalisé dans des fours à des températures de 800 à 1 200° C, il permet de réaliser des couches d'oxyde et de nitrure de silicium par exemple, réarranger des réseaux cristallins ou effectuer certains dopages.   

2- Les dépôts


Ils apportent à la surface du silicium des couches conductrices ou isolantes : oxydes, nitrures, siliciures, tungstène, aluminium... Ils sont effectués par diverses techniques physiques ou chimiques : dépôt en phase vapeur (CVD), pulvérisation, épitaxie... 

3- La photolithographie


Etape-clé, elle consiste à reproduire dans la résine photosensible le dessin des circuits à réaliser. Ces motifs complexes sont générés en une seule exposition. La lumière d’une source lumineuse de très faible longueur d’onde (UV ou rayons X, pour les gravures les plus fines) y projette l’image d’un masque. Plus la résolution optique est poussée, plus la miniaturisation des circuits est améliorée. 

4- Le nettoyage

Les nombreuses opérations de nettoyage des tranches représentent presque un tiers du temps total de processus de fabrication. 


5- La gravure


A l’inverse du dépôt, la gravure enlève de la matière, toujours dans le but de réaliser un motif. Deux voies principales : la gravure dite humide, qui utilise des réactifs liquides, et la gravure sèche (ou gravure plasma) qui emploie des réactifs gazeux. En 2004, les gravures les plus fines en production mesuraient 130 nm. Dix ans après, elles n’étaient plus que de 14 nm ! 

6- Le dopage

Pour introduire au cœur du silicium les atomes qui vont modifier sa conductivité, les plaquettes sont chauffées entre 800 et 1 100° C dans des fours, en présence du gaz dopant, ou bombardées par implantation à travers un masque par un faisceau d’ions accélérés. Aujourd'hui, réaliser un circuit intégré complexe demande la succession de plusieurs centaines d'opérations. 

La photolithographie
Elle est limitée par les phénomènes de diffraction et de longueur d'onde du faisceau de lumière utilisé. Aujourd'hui, avec des détails de l'ordre de 10 à 20 nm, la photolithographie atteint ses limites techniques et des effets dus à la physique quantique perturbent le fonctionnement des circuits ; par exemple, des électrons sautent d'un « fil » à l'autre par effet tunnel. Les motifs peuvent aussi être gravés au moyen de faisceaux d'électrons, mais les dessins doivent alors être tracés les uns après les autres. La lithographie par faisceau d'électrons (E-beam) permet d'atteindre une résolution nanométrique, correspondant à leur longueur d'onde.


L'ENVIRONNEMENT DE LABORATOIRE
A l'échelle d'une puce, un minuscule grain de poussière représente un rocher qui bouche les chemins creusés pour la circulation des électrons. C'est pourquoi la fabrication a lieu en « salle blanche ». L'air est filtré et entièrement renouvelé 10 fois par minute. Il contient 100 000 à 1 million de fois moins de poussières que l'air extérieur. Les opérateurs portent en permanence une combinaison qui les couvre des pieds à la tête et retient les particules organiques et les poussières qu'ils génèrent naturellement. Les opérations de photolithographie nécessitent une ambiance appelée inactinique : les lampes utilisées, le plus souvent jaunes (la plage de longueur d'onde ultraviolette est retirée), n'ont pas ou peu d'effets photochimiques sur les résines photosensibles recouvrant les wafers.

LA PUCE

Pour finaliser la fabrication, une pellicule métallique est déposée aux endroits où le circuit devra être en contact avec les broches de sortie. Puis les circuits intégrés sont testés, directement sur le wafer. Enfin, celui-ci est découpé pour obtenir des puces, insérées dans un boîtier individuel de protection et reliées aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur. Des tests de validation et de qualification, à différentes fréquences et températures, sont alors entrepris.


ZOOM SUR MINATEC

Initié par le CEA et l'Institut national polytechnique de Grenoble, soutenu par les collectivités locales et territoriales, Minatec est le premier pôle européen, et l'un des premiers mondiaux, dédié aux micro et nanotechnologies. Le site est constitué de 45 000 m2  de laboratoires, bureaux et salles blanches (8 000 m2) pour la nanoélectronique et les microsystèmes, une plateforme de nanocaractérisation (1 500 m2), un centre de développement, caractérisation et simulation de composants opto-électroniques, des chambres anéchoides, une plateforme de cybersécurité…
4 000 personnes environ y travaillent, parmi lesquelles 1 200 chercheurs, 1 000 étudiants, 200 enseignants-chercheurs et 1 000 emplois industriels directs.

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Les ondes électromagnétiques dans le domaine de la communication

Publié le 31 mai 2018
       
Qu’est-ce qu’une onde électromagnétique ? Quelles sont les ondes qui nous permettent de communiquer quasi instantanément d’un bout à l’autre du monde ? En quoi les ondes radio jouent-elles un rôle fondamental dans les télécommunications ? Comment fonctionne un système mobile sans fil ? Quelles sont les différentes générations de réseaux mobiles ? Quels sont les enjeux et promesses de la 5G ? L’essentiel sur… les ondes électromagnétiques utilisées dans le domaine de la communication.

QU’EST-CE QU’UNE ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE ?

Une onde électromagnétique est une catégorie d’ondes qui peut se déplacer dans un milieu de propagation comme le vide ou l’air, avec une vitesse avoisinant celle de la lumière, soit près de 300 000 kilomètres par seconde. Ces ondes sont par exemple produites par des charges électriques en mouvement. Elles correspondent aux oscillations couplées d’un champ électrique et d’un champ magnétique, dont les amplitudes varient de façon sinusoïdale au cours du temps.


Les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie mais elles sont aussi capables de transporter de l’information. C’est pourquoi elles sont utilisées dans le domaine de la communication.
Concrètement, les ondes électromagnétiques servent à faire fonctionner les smartphones, les postes de radio, ou encore sont utilisées pour faire des radiographies du corps humain.  De même, la lumière visible est une onde électromagnétique ; elle nous permet de voir les couleurs.
Ces différentes ondes électromagnétiques se différencient et sont caractérisées par leur fréquence, c’est-à-dire le nombre d’oscillations en une seconde. La fréquence est exprimée en Hertz. Une autre caractéristique des ondes électromagnétiques est la longueur d’onde, c’est-à-dire la distance qui sépare deux oscillations de l'onde. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence.
Les ondes électromagnétiques sont classées en fonction de leur fréquence dans ce que l’on appelle le « spectre électromagnétique ».


Dans l’ordre des longueurs d’ondes croissantes, on trouve :


Longueur d’onde (mètre)    Fréquence (Hertz)    Catégorie d'onde électromagnétique
< 10 picomètres (ie 1 000 milliards de fois plus petit qu’un mètre)    30 x 1018 Hz    Les rayons gamma, produits par des transitions nucléaires
10 picomètres – 10 nanomètres (ie 1 000 millions de fois plus petit qu’un mètre)    30 x 1018 – 30x1015 Hz    Les rayons X, qui permettent de faire des radiographies  du corps humain
10 nanomètres – 400 nanomètres    30x1015 - 750x1012 Hz    Les rayons ultra-violet (UV), qui proviennent majoritairement du Soleil et sont responsables par exemple du bronzage ou des coups de soleil.
400 – 800 nanomètres    750x1012 – 375x1012 Hz    La lumière visible avec toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.
800 nanomètres – 0,1 millimètre    375x1012 – 3x1012 Hz    Les rayons infrarouges, qui captent la chaleur des objets, de l’environnement.
1 millimètre - 30 kilomètres    300x109Hz - 10Hz    Les ondes radio, responsables des moyens de télécommunications qu’on connaît aujourd’hui : les radars et satellites, le réseau Wi-Fi, le téléphone portable, la télévision hertzienne et la radio.


L’HISTOIRE DES SYSTÈMES ET RÉSEAUX
DE TÉLÉCOMMUNICATION
L’histoire des télécommunications commence en 1794, quand Claude Chappe met au point le télégraphe optique. Deux tours d’observations éloignées de plusieurs dizaines de kilomètres s’échangent des messages codés par les différentes positions d’un bras articulé placé en haut de la tour.
Il faudra attendre la fin du 19e siècle et la découverte de l’existence des ondes électromagnétiques par le physicien allemand Heinrich Hertz pour que se développe la transmission d’informations sans fil.
Depuis vingt ans, nous sommes entrés dans un monde où tout devient sans fil. Après la radio et la télévision, le téléphone a d’abord lâché son fil à la maison pour devenir mobile, nos ordinateurs communiquent aujourd’hui via le wi-fi. Début 2018, le monde compte plus de 4 milliards d’utilisateurs d’Internet et plusieurs millions de mails sont envoyés chaque seconde. Et ce n’est pas fini ! L’Internet des Objets se développe, et part à l’assaut de nouveaux secteurs comme la domotique, la santé connectée, l’usine du futur et les véhicules autonomes.

Le réseau 5G qui devrait être disponible en France vers 2020 connectera toujours plus d’objets sans fil, avec un meilleur débit et plus de rapidité. A la clé : une plus grande fiabilité de transmission.

LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
DE LA RADIO
Les ondes radio, qui servent à transmettre des informations, ont des fréquences comprises entre quelques kilos Hertz et 300 giga Hertz, c’est-à-dire 300 milliards d’oscillations par seconde.

Parmi les ondes qui passent par les postes de radio, on trouve :

*         La radio AM avec une fréquence de 106Hz et une portée de plusieurs centaines de kilomètres, autrefois très utilisée.
*         La radio FM avec une fréquence de 108Hz et une portée de quelques dizaines de kilomètres. La radio FM est la plus écoutée aujourd’hui.

Les antennes permettent de rayonner les ondes radio se propageant dans l’air. Pour diffuser une émission de radio par exemple, la voix de l'animateur est transformée en signal électrique par le micro. Ce signal électrique oscille au même rythme que la voix, on dit qu'ils ont la même fréquence. Cependant, cette fréquence est beaucoup trop basse pour que le signal soit transmis sous forme d'onde électromagnétique. Il est donc nécessaire de fabriquer un signal électrique alternatif à très haute fréquence transmis à l’antenne pour qu'elle émette d'abord une onde porteuse. Pour transporter la voix par exemple, il faut alors mélanger notre signal électrique de basse fréquence, celui qui correspond à la voix de l’animateur, au signal électrique de haute fréquence.

Il existe par exemple deux façons de faire :

*         Pour la radio AM, on change l’amplitude, c’est à dire la hauteur des oscillations du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en amplitude.
*        
*         Pour la radio FM, on change la fréquence, c’est à dire le nombre d’oscillations par secondes du signal électrique en fonction du signal de la voix. L’onde porteuse est modulée en fréquence. La modulation en fréquence est beaucoup plus fiable ; il y aura moins de grésillements qu'avec la modulation d'amplitude.

Dans les deux cas, l’antenne émet une onde électromagnétique modulée qui se propage jusqu'à une antenne réceptrice, comme celle intégrée dans les postes de radio. Ensuite, elle fait le travail inverse de l'antenne émettrice : elle transforme l'onde électromagnétique en signal électrique, ce dernier est démodulé, soit en amplitude soit en fréquence, puis amplifié et transformé en son par les enceintes.

COMMENT FONCTIONNE UN SYSTÈME MOBILE SANS FIL ?

Pour que nos fichiers ou SMS puissent parvenir jusqu’à leur destinataire, l’information à envoyer est d’abord codée en langage binaire (combinaisons de zéro et un) puis présentée en entrée de la carte électronique de l’émetteur du système de communication sans fil, par exemple un téléphone.

Ensuite, le signal numérique correspondant au message binaire est transformé en signal analogique à haute fréquence (fréquences radio). Ce dernier est envoyé à une antenne, qui se met alors à rayonner une onde électromagnétique se propageant dans l’air pour atteindre l’antenne relais la plus proche. L'onde est ensuite encore transformée en signal électrique, pour être transmise via des câbles ou des fibres optiques sur de très grandes distances, jusqu’à enfin atteindre l’antenne relais la plus proche du destinataire. Le processus de réception est le même que celui d’envoi, en inversé. La carte électronique du système de communication du récepteur décode le langage binaire pour afficher le SMS, l’image ou bien la vidéo.


LES DIFFÉRENTES GÉNÉRATIONS
DE RÉSEAUX MOBILES
De la 2G à la 5G
La fin des années 1990 sonne le début de l’ère des téléphones portables, le réseau dit « 2G » (ou GSM) est lancé. Il permet de transmettre la voix mais aussi des données numériques comme les SMS ou des messages multimédias, avec du contenu léger (MMS). Les réseaux GPRS et EDGE offrent un accès à Internet mais avec un débit très bas.

La 3G se commercialise au début des années 2000. Le débit est alors plus rapide que pour la 2G et les téléphones peuvent alors accéder à Internet beaucoup plus rapidement, même en mouvement.


En 2012, la 4G fait son arrivée en France, le débit maximal est multiplié par 100, ce qui permet le développement des objets connectés et des réseaux sociaux.

Le réseau 5G est prévu pour être disponible vers 2020. Il constituera une véritable rupture technologique, présentant de nombreuses innovations.
Il aura un débit 50 fois plus important que la 4G et le temps
d’acheminement des données sera beaucoup plus court qu’actuellement (jusqu’à 1ms, contre 10ms). La 5G pourra occuper des bandes de fréquence entre 800MHz et 56GHz. Les fréquences les plus hautes appartiennent au domaine des ondes millimétriques (allant de 30 à 300 GHz).
A ces fréquences-ci, l’atténuation des ondes avec la distance parcourue est plus importante mais les antennes sont plus petites que celles utilisées pour la 4G. Dans un même espace, il sera donc possible d'en associer beaucoup plus pour augmenter la puissance reçue (ou émise) dans certaines directions et ainsi, suivre plusieurs utilisateurs mobiles tout en limitant les interférences.

Le développement d’applications telles que les voitures autonomes ou les objets connectés devrait être facilité par la 5G.

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L'ESSENTIEL SUR...
L'uranium

Publié le 15 décembre 2017

L’uranium est un élément chimique radioactif présent à l’état naturel en quantité significative sur Terre. Il est essentiellement utilisé comme combustible dans les centrales nucléaires.
RESSOURCE MINIÈRE/ABONDANCE
La croûte terrestre contient en moyenne 2 à 3 grammes d’uranium par tonne. Cet élément est bien plus abondant que les métaux rares comme l’or ou l’argent.
L’eau de mer en contient environ 3,3 milligrammes par tonne.

Dans le sol, il est inégalement réparti mais des mines sont exploitées sur quasiment tous les continents. Les principaux pays disposant de ressources sont l’Australie, le Canada, le Kazakhstan, le Niger, la Namibie, la Russie et l’Afrique du sud.


Répartition des principales ressources d’uranium (en millier de tonnes) :

ISOTOPIE
Radioactivité
Les isotopes de l’uranium présents à l’état naturel sur la Terre se désintègrent principalement par émission de particules alpha, c’est à dire des rayonnements fortement atténués par un écran aussi mince qu’une feuille de papier. Cependant, leurs descendants radioactifs sont, eux, émetteurs de rayonnements bêta et gamma plus pénétrants.

L'uranium naturel
L’uranium naturel est composé des isotopes 234, 235 et 238. Leurs principales caractéristiques sont les suivantes :
    Composition isotopique de l'uranium naturel    Période radioactive (*)
234U    0,0056 %    2,46 x 105 an

235U    0,71 %    7,04 x 108 an
238U    99,28 %    4,47 x 109 an
(*) période de temps au terme de laquelle la moitié des atomes radioactifs présents initialement s’est désintégrée.

L’isotope 235 de l’uranium est dit « fissile », c’est-à-dire qu’il peut se casser en deux noyaux plus petits, sous l’effet d’un neutron. C’est ce qu’on appelle la fission nucléaire, réaction qui libère une grande quantité d’énergie. L’isotope 238 est dit « fertile » : lorsqu’il est heurté par un neutron, il peut le « capturer », générant du plutonium 239 lui-même fissile.

Autres isotopes
Les chercheurs en physique nucléaire s’intéressent aux noyaux lourds. Riches en neutrons et en protons, ils sont un objet d’étude idéal pour comprendre les lois physiques qui gouvernent ces objets et leurs interactions. Ils ont artificiellement fabriqué, puis caractérisé, plus de 25 isotopes différents de l’uranium. Certaines de ces espèces éminemment fugaces ont des durées de vie extrêmement courtes.

La séparation isotopique
Pour certaines applications, il est nécessaire de modifier la proportion de l’uranium naturel en isotope 235. Ainsi, la plupart des réacteurs nucléaires en fonctionnement dans le monde sont des réacteurs à eau légère qui requièrent un combustible dont la proportion en 235U est comprise entre 3% et 5%. Ceci nécessite donc d’enrichir l’uranium naturel en uranium 235. En France, cette opération de séparation isotopique est réalisée dans l’usine Georges Besse II (voir fiche « L’essentiel sur le cycle du combustible nucléaire »).
Des procédés industriels de séparation isotopique doivent être mis en œuvre. La production d’uranium enrichi s’accompagne alors d’une production d’uranium appauvri.


LES DIFFÉRENTES CATÉGORIES 
DE L'URANIUM

*         Uranium naturel (teneur en 235U égale à 0,71 %) : minerai.
*        


*         Uranium faiblement enrichi (teneur en 235U supérieure à 0,71 % et strictement inférieure à 20 %) : exploité dans le secteur électronucléaire.
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*         Uranium hautement enrichi (teneur 235U supérieure ou égale à 20 % : exploité dans les secteurs de la Défense, des réacteurs de recherche et de la médecine nucléaire.
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*         Uranium appauvri (teneur en 235U inférieure à 0,71 %) : exploité dans les réacteurs à neutrons rapides et dans l’armement conventionnel.

LE CONTRÔLE DE L’USAGE DE L’URANIUM
L’uranium est une matière nucléaire dont la sensibilité dépend de son taux d’enrichissement, dans la mesure où il peut être utilisé tant à des fins civiles que de défense.

A ce titre, il est soumis en France à un contrôle strict : sa détention est réglementée par le code de la défense.

Au niveau de l’Union Européenne, des contrôles sont exercés par la Commission européenne dans le cadre du chapitre VII du Traité Euratom afin de s’assurer que les matières nucléaires, dont l’uranium, sont utilisées conformément aux usages déclarés par leurs détenteurs. L’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), quant à elle, effectue des contrôles de non-prolifération au niveau mondial afin de donner des garanties à la communauté internationale sur l’utilisation pacifique de ces matières.



QUELLES SONT LES PRINCIPALES UTILISATIONS DE L'URANIUM ?
Électronucléaire
L’uranium est utilisé comme combustible dans la plupart des réacteurs nucléaires industriels. Sous le flux de neutrons, il subit des fissions formant des noyaux de masse inférieure à celle de l’uranium et générant de nouveaux neutrons. Ces nouveaux neutrons peuvent à leur tour entraîner des fissions sur des atomes voisins, d’où la notion de « réaction en chaîne ».



Lors de ces réactions nucléaires de fission, la masse totale des atomes générés est inférieure à celle de l’atome initial. La différence est dissipée sous forme de chaleur qui est ensuite utilisée pour faire tourner des turbines générant de l’électricité.

Autres applications
Colorants
L’uranium naturel sous forme d’oxyde a été utilisé depuis l’Antiquité pour donner à des verres, des céramiques et des faïences de profonds reflets verts ou jaunes.

Armement conventionnel
Du fait de sa grande densité et dureté, l’uranium appauvri est aussi utilisé sous forme métallique dans des têtes d’obus conventionnels destinés à perforer le blindage de chars ou d’abris en béton.

Radioéléments pour le médical
L’uranium hautement enrichi peut être irradié dans des réacteurs de recherche pour la production de radioéléments (technetium-99) utilisés comme traceurs en imagerie médicale.

QUELS SONT LES EFFETS DE L'URANIUM DANS LE CORPS HUMAIN ?
L’uranium naturel est plus toxique du fait de ses propriétés de métal lourd qu’à cause de sa radioactivité.

Le comportement biologique de l’uranium dans l’organisme dépend :

*         De la forme chimique sous laquelle il est incorporé (un oxyde est beaucoup moins soluble qu’un nitrate) ;

*         Sa voie d’entrée dans l’organisme (inhalation ou ingestion).



En cas d’ingestion d’un composé soluble d’uranium, à peine quelques pourcents sont absorbés dans le sang ; le reste est éliminé dans les selles. La fraction absorbée dans le sang se dépose essentiellement dans le squelette et dans les reins. Cependant, c’est essentiellement dans les reins que se manifeste la toxicité – les effets néfastes – de l’uranium sur l’organisme.



Après inhalation, la majorité des particules inhalées insolubles se déposent au niveau des poumons. Toutefois, une faible fraction est solubilisée dans le sang.

Quelle que soit la voie d’entrée, après passage dans le sang, l’uranium est rapidement et majoritairement excrété dans l’urine. Le reste étant transféré vers les tissus : vers les reins où il est retenu de façon temporaire (quelques jours) et vers le squelette (où l’uranium peut rester plusieurs années). Les os constituent le site de rétention à long terme puisqu’on y retrouve environ 70 % de l’uranium contenu dans le corps chez des personnes exposées de manière chronique (c’est-à-dire en continu).


EFFET CANCÉROGÈNE DE L’URANIUM
Le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC/OMS) classe par défaut tous les radionucléides émetteurs de rayonnement alpha, dont l’uranium, dans le groupe des éléments dont l’effet cancérogène est avéré (groupe 1 du CIRC). Cependant, s’agissant spécifiquement de l’uranium, le CIRC souligne que les études connues n’apportent pas de preuves suffisantes de son effet cancérogène chez l’Homme.
Par ailleurs, l’ATSDR (US-Agency for Toxic Substances and diseases registry), dans la mise à jour de son profil toxicologique de l’uranium (2013), rappelle que ni l’IARC (Agence internationale de recherche sur le cancer), ni l’EPA (Environmental Protection Agency) ont classé l’uranium naturel ou appauvri parmi les agents cancérogènes.

D'OÙ VIENT L'URANIUM ?
Fabriqué dans les étoiles
Il n’existe aucun noyau stable dont le numéro atomique serait supérieur à celui du bismuth (numéro atomique : 83). Pourtant, on trouve sur Terre des éléments plus lourds encore : le thorium et l’uranium. Ils sont radioactifs et ils ont été formés, au sein des étoiles, il y a plusieurs milliards d’années. C’est parce que leur période de décroissance radioactive est très grande (pour les isotopes de l’uranium naturel : des millions voire des milliards d’années selon les isotopes) qu’une partie de ces atomes est toujours présente jusqu’à notre ère.



Du fer jusqu’au bismuth, les atomes sont formés par des captures successives de neutrons. Ensuite, une décroissance radioactive de type « bêta-moins » (dans laquelle un neutron se transforme en proton) génère un élément de numéro atomique immédiatement supérieur.



Dans une supernova, c’est-à-dire une étoile super massive qui s’effondre sur elle-même en quelques millisecondes, la densité de matière extrême permet à un noyau de capturer plusieurs neutrons en une seule fois. Le noyau subit ensuite plusieurs transformations radioactives successives qui génèrent des éléments beaucoup plus lourds, dont l’uranium. Puis, dans un rebond explosif, la supernova explose et expulse ces noyaux dans le milieu interstellaire. Ils peuvent ensuite se rassembler autour d’une nouvelle étoile et s’agréger pour se retrouver dans les planètes comme notre Terre.



En revanche, dans une étoile comme notre Soleil, les densités de neutrons sont si faibles au point qu’il s’y produit moins d’une capture de neutron par décennie.

Sources d'uranium anthropique
Les engrais phosphatés utilisés en agriculture apportent de l’uranium dans les sols : à raison d'environ 100 kg d'engrais par hectare et par an, cet apport annuel peut être estimé à près de 1mg/m2.



L’extraction minière de l’uranium peut aussi représenter une voie d’apport dans l’environnement. Les nombreuses études internationales, réalisées sur le sujet, ont montré que la contamination environnementale reste toujours limitée et que les teneurs en uranium correspondantes sont celles de nombreux sites naturels.

L'URANIUM DANS L'ENVIRONNEMENT
L’uranium, est un élément naturel omniprésent dans notre environnement. Pour comprendre son comportement dans l’environnement, il est important de connaître sa chimie qui est complexe en raison notamment de ses différents états d’oxydation. Les deux états d’oxydation les plus importants sont l’uranium (IV) et l’uranium (VI). De manière générale, les composés d’uranium (IV) sont très insolubles, alors que ceux d’uranium (VI) présentent des solubilités plus variées.

Dans les eaux
Ainsi dans les eaux naturelles, l’uranium est stable sous deux états d’oxydation : l’état d’oxydation VI prédomine dans les milieux oxydés comme les eaux de surface, et l’état d’oxydation IV prédomine dans les milieux réduits, c’est-à-dire les eaux profondes dont l’oxygène est absent.
Selon la composition du milieu (pH, anions caractéristiques du milieu, conditions d’oxydo-réduction …), l’uranium peut être présent sous différentes formes chimiques dont la proportion va varier.

Dans les sols
Dans les sols comme dans les eaux, selon les conditions du milieu (oxydé ou réduit), l’uranium est présent sous différentes valences. L’uranium se trouve à l’état naturel à différentes concentrations dans les sols et les eaux ; il a également été mesuré dans des météorites à des teneurs variant de 90 à 360 microgramme par kilogramme  de matière.
Milieu    Concentration en mg/kg
Mer    0,003
Roche basaltique    0,5
Sol calcaire     1
Écorce terrestre    2
Roche granitique    5
Phosphate    100
Gisement uranifère    10 000
Le tableau suivant donne l'ordre de grandeur des concentrations d'uranium rencontrées naturellement dans différents milieux. Ce tableau illustre la grande disparité des concentrations d'uranium rencontrées dans la nature. Il démontre aussi et surtout l'omniprésence de cet élément sur Terre.


Migration de l'uranium dans l'environnement
Le comportement de l'uranium dans l'environnement dépend des conditions du milieu. Dans chaque système naturel, il existe des conditions spécifiques (pH, potentiel redox, force ionique, teneur en matière organique) pour lesquelles la mobilité de l'uranium est minimale. En milieu oxydant, l’uranium se trouve sous la valence VI, qui est la forme la plus stable et la plus mobile. En conditions anaérobies, il peut être réduit à la valence IV.


L'uranium a une mobilité moyenne dans les sols. En condition aérobie, il se complexe facilement avec la matière organique, les carbonates, les phosphates et les sulfates. La présence de substances humiques conduit à une fixation plus efficace de l'uranium dans les sols. Ceci peut conduire à l'existence de zones d'accumulation dans les horizons riches en matières organiques. La présence d'ions carbonates dans les sols conduit à la formation de composés chargés négativement, plus mobiles.
Ces mécanismes de complexation conditionnent le comportement de l'uranium dans les sols, ce qui explique que, dans les sols non remaniés, la répartition de l'uranium n'est pas homogène selon la profondeur du sol.


Réacteur nucléaire naturel
Certains sites géologiques favorisent la concentration de l’uranium dans les milieux naturels. Ainsi, la teneur en uranium peut atteindre plusieurs centaines de milligrammes par kilogramme de sol ou de roche dans des sites comme Cigar Lake au Canada, Pocos de Caldas au Brésil, El Berocal en Espagne. Des conditions hydrogéologiques favorables, associées à une concentration d'uranium adaptée, ont même conduit, il y a près de 2 milliards d'années, à l’existence de réacteurs nucléaires naturels tels que celui d’Oklo au Gabon.

Alimentation
La présence naturelle de l'uranium dans notre environnement conduit à l'ingestion quotidienne de cet élément par l’alimentation.

La présence d'uranium disponible dans les sols conduit à la présence d'uranium dans les végétaux qui s'y développent. Les concentrations dans les végétaux dépendent du type de sol et de la partie du végétal considérée ; en règle générale, l'uranium se retrouve en proportion plus importante dans les racines et les plantes que dans les graines. Chez les animaux, la présence d'uranium est liée à leur consommation de végétaux et de leur eau d'abreuvement, voire de l'ingestion directe de sol.

A partir de mesures d'uranium en dehors de l’influence d’installations nucléaires, l’UNSCEAR évalue l’activité dans l’air en 238U aux environs de 1 μBq.m-3.

L'absorption de l'uranium par inhalation est très faible et l'absorption par ingestion est de l'ordre de 1 à 4 µg par jour.

Compte tenu de l'existence de sols uranifères traversés par les eaux souterraines alimentant sources et puits, certaines eaux de boissons contiennent des concentrations d'uranium supérieures à 50 µg/L, voire supérieures à 7 800 µg/L dans certaines régions telles que la Finlande. En moyenne néanmoins, la quantité d’uranium apportée quotidiennement via l’alimentation est de l’ordre de quelques microgrammes, principalement par les coquillages et dans une moindre mesure, les légumes frais, les céréales et les poissons.

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les supercalculateurs

Publié le 29 mai 2017
       
Un supercalculateur est un très grand ordinateur, réunissant plusieurs dizaines de milliers de processeurs, et capable de réaliser un très grand nombre d’opérations de calcul ou de traitement de données simultanées. Les superordinateurs sont utilisés par les scientifiques et les industriels pour concevoir de nouveaux systèmes et objets (moteurs, avions, voitures), des matériaux ou des médicaments ; simuler des phénomènes physiques complexes (séismes, formation des étoiles, galaxies ou même Univers entier…) ; réaliser des prévisions (météorologie, climat) ; ou réaliser virtuellement des expériences difficilement réalisables en laboratoire.

COMMENT FONCTIONNE
UN SUPERCALCULATEUR ?
Dans les années 1930, les ordinateurs – ou calculateurs – effectuaient une opération par seconde. Aujourd’hui, les supercalculateurs les plus puissants réalisent des dizaines de millions de milliards d’opérations par seconde.
De tels progrès ont été possibles grâce à la miniaturisation des processeurs et des mémoires mais aussi grâce à une organisation particulière de ces calculateurs et de leur environnement à différentes échelles.


UN FONCTIONNEMENT EN « GRAPPE »

Pour réaliser autant d’opérations simultanées, les supercalculateurs effectuent les calculs « en parallèle », c’est-à-dire en les répartissant sur différents processeurs. Ceux-ci sont organisés en « grappe » de « nœuds de calcul », connectés par un réseau ultrarapide. Les nœuds de calcul mettent en commun leurs mémoires pour former une mémoire « distribuée » de très grande taille, et sont reliés à des espaces de stockage de plus grande taille encore. L’architecture détaillée des nœuds de calcul est également devenue un élément déterminant pour optimiser leur fonctionnement.
Les performances d’un supercalculateur décrivent ses capacités à exécuter des calculs mais aussi à traiter de très grands volumes de données. A ce niveau, on parle de « calcul haute performance » (ou « HPC », pour High Performance Computing en anglais) et la vitesse de traitement des opérations s’exprime principalement en Flops (Floating Point Operations Per Second, opération de base pour du calcul numérique, soit addition ou multiplication décimale).


LES SUPERCALCULATEURS  :
DES CAPACITÉS DE STOCKAGE GIGANTESQUES

Physiquement, les supercalculateurs sont constitués de nombreuses armoires (baies), reliées entre elles par des kilomètres de câble réseau (interconnexion ultra-rapide des nœuds de calcul) et regroupées dans des centres de calcul. Un centre de calcul comprend aussi de gigantesques capacités de stockage local de données auxquelles les ordinateurs doivent pouvoir accéder rapidement (dizaines de « petaoctets », contrepartie des dizaines de « petaflops » de puissance de calcul).
Comme ces machines sont de plus en plus puissantes et denses, leur consommation électrique devient très importante et dégage énormément de chaleur – tant dans les processeurs que dans les mémoires et réseaux de communication. Il faut donc mettre en place un système de refroidissement efficace et lui-même le moins énergivore possible - par exemple par circulation d’eau dans les portes des armoires ou dans les nœuds de calcul - ainsi qu’une climatisation dans la salle machine. Bien optimisés, ces systèmes de refroidissement consomment une fraction minoritaire de la consommation électrique globale, l’essentiel de l’énergie apportée au centre de calcul peut alors servir directement aux calculs et traitements de données et les coûts de fonctionnement sont mieux maîtrisés

LES SUPERCALCULATEURS, DES OUTILS ESSENTIELS POUR LA MODÉLISATION ET L’ANALYSE DES DONNÉES AU PROFIT DE LA SCIENCE ET DE L’INDUSTRIE

Grâce aux progrès des supercalculateurs, la simulation numérique – calculs permettant de représenter un phénomène physique ou complexe sur un ordinateur – s’est généralisée à toutes les disciplines au point de devenir le « troisième pilier » de la méthode scientifique, aux côtés de la théorie et de l’expérimentation.

La simulation numérique permet de mener des « expériences virtuelles » qui remplacent ou complètent les expérimentations lorsque celles-ci sont dangereuses (accidents, crash tests), à des échelles de temps trop longues ou trop courtes  (climatologie, physique atomique), à des échelles de taille trop petites ou trop grandes   (protéines, astrophysique) ou encore interdites (essais nucléaires)…
Depuis quelques années le calcul intensif, producteur de masses de données de plus en plus importantes, devient également un maillon indispensable du traitement des « mégadonnées » d’autres origines (expériences, observations, réseaux de capteurs, Internet…). Les techniques et méthodes du calcul haute performance (HPC) se retrouvent ainsi au cœur de processus mêlant production et analyse de données, modélisation numérique, techniques statistiques et d’apprentissage, intelligence artificielle...
Véritable fer de lance de ces approches, le HPC est la déclinaison la plus avancée à un moment donné de traitements parallèles qui se retrouvent souvent employés ou diffusés largement, à plus petite échelle et à terme, dans tous les secteurs de l’informatique.

LES DIFFÉRENTES ÉTAPES
D’UNE SIMULATION NUMÉRIQUE
Les différentes étapes d’une simulation numérique

Prenons l’exemple d’un chercheur ou d’une équipe de recherche recourant au HPC. Les moyens de calcul sont fournis par des centres de calcul régionaux, nationaux ou encore internationaux. L’accès à ces ressources se fait souvent via des dossiers de demande préparés à l’avance, parfois soumis à des processus de sélection compétitifs.

L’activité complète de modélisation/simulation comporte plusieurs étapes :

*         Décrire la réalité : les phénomènes physiques sont souvent complexes. Pour les représenter, les physiciens prennent en compte de nombreuses lois physiques, par exemple celles qui régissent les relations entre la vitesse, la température et la pression dans un fluide.
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*         Modélisation : Les lois physiques sont traduites en équations mathématiques, faisant intervenir l’ensemble des paramètres pertinents.
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*         Résolution numérique et programmation : les équations mathématiques, trop complexes pour être calculées humainement, doivent être traitées par un ordinateur. Comme celui-ci ne peut les résoudre en tous points et de manière continue, les mathématiciens les scindent en plus petits intervalles. Les équations sont calculées pour chacun des points et des instants pertinents. L’enchaînement des calculs à réaliser s’appelle un algorithme. En général, en simulation numérique, il s’agit au final de nombreuses additions et multiplications traduisant l’évolution des quantités physiques. Pour que l’ordinateur puisse exécuter l’algorithme, celui-ci est converti en langage informatique par les informaticiens.
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*         Validation : les trois étapes précédentes produisent un logiciel de calcul dont il faut assurer la mise au point « physique » (on parle de validation) et pas uniquement « informatique » (ici on parle de vérification). Il s’agit de délimiter la justesse physique des résultats pour certains domaines dans lesquels on peut se fier au logiciel. La comparaison avec des expériences ou résultats déjà connus est un ingrédient de la validation. De plus en plus, on recherche aussi l’estimation des incertitudes ou des sensibilités des calculs vis-à-vis de leurs paramètres. A défaut de réduire totalement les erreurs ou incertitudes, leur encadrement est apprécié.
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*         Ces quatre étapes ne sont pas nécessairement reproduites à chaque étude. L’effort de mise au point d’un environnement de simulation (logiciel de calcul et tous les outils complémentaires tels que la visualisation des résultats) se fait en amont soit par une équipe de recherche ou un groupement d’équipes, parfois par des sociétés logicielles spécialisées, et il est amorti sur des durées parfois très longues – années voire décennies.
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*         5. Exécution de simulations : grâce aux moyens de plus en plus performants mis à leur disposition par les spécialistes concevant les supercalculateurs et les centres de calcul, les physiciens et ingénieurs lancent leurs simulations numériques. Puis les résultats sont conservés dans des espaces de stockage de grande capacité, conçus pour un accès performant et pérenne. Les utilisateurs peuvent en général visualiser leurs données sur leur poste de travail de façon interactive, parfois directement connectés au système de stockage du centre de calcul - les masses de données concernées par le post-traitement peuvent en effet excéder les capacités locales de recopie ou les capacités de débit du réseau entre site de calcul et laboratoire.


Les enjeux de la simulation numérique

La simulation numérique a pour objectifs :
*         De comprendre et faire progresser la science, dans tous les domaines ;
*         De concevoir : dans l’industrie, la simulation numérique permet de réduire le nombre de tests nécessaires au développement des produits, et donc le coût et la durée des étapes de recherche, développement, et conception. Ainsi, elle améliore la productivité, la compétitivité et la capacité d’innovation des entreprises dans tous les secteurs : aéronautique, cosmétique, bâtiment…
*         D’agir et décider : dans le domaine de la sécurité vis-à-vis des risques naturels ou industriels, de la santé, de l’environnement, de la prévision climatique..., la simulation numérique permet de répondre à des enjeux sociétaux.

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