Créé en 1988, l'Institut Paul Scherrer est aujourd'hui incontournable dans le monde de la recherche nucléaire. Grâce à une politique originale d'ouverture sur d'autres disciplines et sur les laboratoires extérieurs, il a aussi su se rendre indispensable dans de nombreux autres domaines.
Cet article a été préparé par Nathalie Mayer, à partir du rapport "L'Institut Paul Scherrer" réalisé par Dominique Pladys et Matthieu Lefrançois, du service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France en Suisse, que nous remercions pour leur collaboration.
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C'est à la fin de la seconde guerre mondiale que le département Militaire fédéral suisse institue dans le pays une commission d'étude de l'énergie nucléaire présidée par Paul Scherrer. Ce physicien suisse de renom s'intéresse en effet de très près aux questions posées alors par ce nouveau domaine de la physique. Il sera d'ailleurs, quelques années plus tard, l'un des artisans de la création du Cern - Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Des difficultés financières doublées d'un accident nucléaire en 1969 mettent pourtant rapidement fin au rêve d'un réacteur nucléaire entièrement produit en Suisse. C'est dans ce contexte que l'Institut Paul Scherrer voit le jour en 1988, dans les environs de Zürich. Vingt ans plus tard, il emploie près de 1 300 personnes pour un budget de fonctionnement de quelque 175 millions d'euros financés à 85% par la Confédération suisse.
Alors que le monde vient de découvrir à Hiroshima la terrible puissance de la bombe atomique, les gouvernements européens se lancent, un à un, dans la course au nucléaire. Et la Suisse ne fait pas exception. Au lendemain de la seconde guerre mondiale, une commission d'étude de l'énergie nucléaire, présidée par Paul Scherrer, est chargée par le département Militaire fédéral du développement d'un réacteur expérimental à eau lourde et à uranium naturel. Ce choix, plus coûteux que celui du réacteur américain SAPHIR, s'explique alors par le souci d'indépendance nationale mais aussi par la volonté de développer le nucléaire militaire. La société Reaktor AG, fondée par 125 entreprises, bénéficie ainsi de larges subventions de la Confédération suisse.
Mais, face à des difficultés financières, la société est dissoute en 1960. Les installations nucléaires sont récupérées par la Confédération pour former l'Institut fédéral de recherche sur les réacteurs (IFR). Neuf ans plus tard, un accident nucléaire survient à la centrale expérimentale de Lucens à Vaud. Lors d'un démarrage, un problème de refroidissement provoque la fusion partielle du coeur et la contamination radioactive de la caverne dans laquelle celui-ci était installé. Un accident sans conséquence, ni pour le personnel, ni pour la population, mais qui met un terme définitif au rêve d'un réacteur nucléaire entièrement produit en Suisse.
C'est dans ce contexte que l'Institut Paul Scherrer (PSI) voit le jour en 1988 suite à la fusion de l'IFR et de l'Institut suisse de physique nucléaire. Après vingt années de fonctionnement, le PSI emploie 1 280 personnes pour un budget de fonctionnement de 174,2 millions d'euros (données 2007). Rattaché au domaine des écoles polytechniques fédérales, il est financé à 85% par la Confédération suisse. Impliqué dans de nombreux travaux de recherche, le PSI met aujourd'hui aussi ses infrastructures à la disposition des universitaires et des industriels.
Gageant que le savoir mais également l'éducation sont les principales ressources de la Suisse, le PSI a aussi comme principale mission la formation tant initiale que continue. Depuis le 1er août 2008, l'Institut est dirigé par Joël François Mesot, un spécialiste des matériaux aux nouvelles caractéristiques électroniques, auteur de plus de 70 publications et titulaire de deux brevets dans le domaine de la physique des corps solides.
Un centre de recherche multidisciplinaire
En 2008, l'Institut Paul Scherrer se définit comme un centre de recherche multidisciplinaire. Ses chercheurs travaillent autant dans le domaine des sciences de la nature que dans celui des sciences de l'ingénieur. En collaboration étroite avec les universités, suisse et étrangères, d'autres centres de recherche et des industriels, le PSI étudie la physique des particules et celle du solide et des matériaux, les énergies, nucléaire et autres, et les sciences de la vie.
Le département de physique nucléaire de l'Institut Paul Scherrer s'intéresse particulièrement aux interactions fondamentales de la matière. Il collabore ainsi étroitement avec le Cern (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) et plus précisément aux expériences menées depuis le 10 septembre 2008 au coeur du Grand collisionneur de hadrons (LHC, Large Hadron Collider), l'accélérateur de particules le plus puissant du monde. La politique du PSI est en effet de participer aux grands programmes internationaux en développant et en construisant des détecteurs mais aussi en participant à des expériences sur site externe. L'Institut a ainsi participé à l'installation du plus grand trajectographe au silicium du monde pour l'expérience CMS qui utilise les infrastructures du LHC. D'une surface totale de 205 mètres carrés, ce détecteur est composé d'environ 50 millions de pixels, chacun de l'ordre du dixième de millimètre. L'expertise du PSI est également régulièrement requise dans le domaine de l'astrophysique afin d'équiper les satellites de détecteurs permettant d'étudier les radiations cosmiques et dans le domaine de la chimie afin de mettre en évidence des atomes éphémères et superlourds au moyen de méthodes radiochimiques sophistiquées.
Côté physique des matériaux, l'une des principales applications visées par le PSI est la métrologie optique. Un département consacré étudie ainsi de nouvelles structures semi-conductrices dans l'idée de les intégrer dans des systèmes miniaturisés. Sur place, les chercheurs du PSI disposent en effet des infrastructures de recherche utiles à la détermination des propriétés électriques, magnétiques et chimiques de telles nanostructures. Le laboratoire de micro- et nanotechnologies s'intéresse aussi au développement de nouvelles méthodes expérimentales afin de construire des appareillages innovants et de permettre de renforcer l'expertise de l'Institut dans ce domaine.
Autre secteur qui intéresse les chercheurs du PSI : les énergies. L'Institut est ainsi notamment le seul organisme suisse à investir autant dans le domaine de l'énergie nucléaire. Les principaux axes de recherche en la matière portent sur la sûreté nucléaire et les problèmes d'exploitation qui s'y rattachent. Si les réacteurs à eau légère, déjà implantés sur le sol suisse, sont naturellement privilégiés, les nouvelles générations de réacteurs et de combustibles sont également passées au crible. Le PSI, en tant que responsable du stockage des rebuts provenant de la médecine, de l'industrie et de la recherche, travaille aussi sur le stockage des déchets radioactifs. L'Institut s'intéresse également à la mise au point de systèmes durables d'approvisionnement en énergie. Il développe de ce fait des techniques d'exploitation de nouvelles sources d'énergie renouvelables ainsi que de nouveaux moyens de stockage de l'énergie et de transformation et de réduction des émissions polluantes.
En matière d'énergies renouvelables, le PSI met l'accent sur la biomasse (gazéification des restes de déchets du bois) et le solaire (l'énergie produite par un four solaire est combinée à un système de production d'hydrogène afin de permettre son stockage). Et, pour tenter de diminuer les émissions polluantes dues à la combustion des énergies fossiles, les chercheurs travaillent à l'amélioration des techniques catalytiques. Parallèlement, ils espèrent, dans le cadre de grands projets nationaux et internationaux, mettre au point de nouvelles piles à combustible possédant un meilleur rendement. De quoi peut-être les intégrer dans des véhicules hybrides.
Le département des sciences de la vie enfin, étudie les effets du rayonnement ionisant sur les êtres vivants et l'utilisation de faisceaux de particules dans un but médical. Le PSI travaille ainsi à la mise au point de marqueurs radioactifs afin de diagnostiquer spécifiquement les cancers. Les chercheurs de l'Institut utilisent également un accélérateur de protons pour le traitement des tumeurs. Celui-ci permet en effet de déterminer avec précision l'endroit où l'on va appliquer la dose de radiation nécessaire à la destruction de cellules tumorales.
Des infrastructures de qualité
Riche de sa multidisciplinarité, le PSI l'est également d'infrastructures de recherche de grande qualité. Il est l'un des seuls instituts à disposer simultanément des trois principales sondes à matière : rayons X, neutrons et muons. Des sondes qu'il met volontiers à disposition de groupes de recherche extérieurs, universitaires autant qu'industriels.
La "source de lumière suisse" (SLS) a été mise en service à l'automne 2001. Elle possède la caractéristique unique d'être à la fois un microscope qui observe des éléments de petite taille et un appareil à rayons X qui peut regarder au travers. L'instrument utilise le principe du rayonnement synchrotron : les électrons en rotation dans la cavité circulaire émettent de la lumière par radiation, une lumière d'une intensité élevée qui peut varier dans un large domaine de fréquences (de l'ultraviolet aux rayons X "mous").
Le SINQ utilise un flux de neutrons pour étudier la structure et les propriétés de la matière. Il repose sur le principe de spallation qui permet de produire des neutrons sans déclencher de réaction en chaîne. Le SINQ permet notamment d'étudier les alliages à mémoire de forme ou le processus de stockage de l'hydrogène.
La source de muons, SS, dont dispose le PSI permet d'étudier le magnétisme et les propriétés de l'hydrogène dans les matériaux. L'accélérateur PHILIPS est quant à lui utilisé pour les programmes de recherche avec des particules de basse énergie. Il sert notamment en radiochimie pour la production d'isotopes ainsi que pour la thérapie de tumeurs de l'oeil.
Pour maintenir son statut en termes d'infrastructures de recherche, le PSI réfléchit actuellement à la possibilité de mettre en service un laser à électrons libres dans le domaine des rayons X. Depuis 2004, la Suisse participe déjà à la mise en place en Allemagne du laser européen FEL (free-electron laser). Un système qui représente, selon les experts, l'un des dix principaux champs de recherche technologique à développer d'ici 2010. La théorie prévoit en effet, grâce à ce type de laser, des résolutions inégalées. La stratégie du PSI en la matière est d'utiliser le laser européen et de réinvestir ensuite l'expérience acquise dans la construction d'un PSI-FEL entre 2012 et 2015.
Des technologies à partager
Dans la lignée de l'ouverture à l'extérieur de ses infrastructures, l'Institut Paul Scherrer accorde une importance particulière au transfert de technologie vers le monde industriel. Ainsi chaque année, le PSI par l'intermédiaire de son bureau du transfert de technologie protège 30 à 40 inventions par des brevets et conclut plusieurs contrats de licence. Parmi les technologies permettant des partenariats : l'étude non destructrice des matériaux et les procédés de conversion et de stockage de l'énergie.
Un exemple marquant de technologie développée au sein du PSI est la méthode de traitement de tumeurs malignes appelée "spot scan". Dans cette méthode, un faisceau de proton, commandé par ordinateur avec une grande précision, dépose une dose maximale de radiation au sein de la tumeur. La superposition de plusieurs taches d'impact permet de traiter la totalité de la zone de manière régulière tout en contrôlant les dépôts individuels et en ménageant au maximum les tissus sains environnants. L'appareil installé au PSI, baptisé GANTRY, est conçu pour tourner autour du patient et permettre de traiter la tumeur en trois dimensions. A la mi-2008, 350 patients souffrant de cancers du cerveau et de la moelle épinière avaient été traités par GANTRY. Dans plus de trois quarts des cas, la progression de la tumeur a été stoppée. Le SPI envisage désormais de commercialiser sa technique afin d'augmenter le nombre de patients traités directement dans les hôpitaux.
Coopérations avec la France
Pour consolider sa place dans le tableau de la recherche internationale, la politique du PSI est clairement au développement de collaborations internationales. C'est dans ce cadre que de nombreux projets sont menés avec le concours de chercheurs français (collaboration SLS-SOLEIL, prototype Hy-light Michelin, source à neutrons ultrafroids, etc.). L'expérience MEGAPIE (Megawatt Pilot Experiment) en est un bon exemple. Cette coopération lancée à l'initiative du CEA (Commissariat à l'énergie atomique), du PSI et FZK (Forschungszentrum Karlsruhe), cherche à produire des neutrons en utilisant, non plus la traditionnelle cible de métal solide mais une cible de métal liquide. Les calculs prévoient en effet un rendement plus important et ces neutrons d'énergie élevée pourraient servir à "brûler" des déchets nucléaires. Depuis plusieurs mois déjà, l'expérience MEGAPIE utilise le faisceau de protons mégawatt du PSI pour vérifier ces hypothèses. Et les résultats de cette première mondiale ont dépassé les attentes des chercheurs qui ont obtenu un flux de neutrons 80% supérieur à celui obtenu avec un métal solide.
L'Institut Paul Scherrer se singularise donc par les multiples collaborations mises en place et par de nombreuses participations à des projets européens. De quoi accumuler une importante expérience en matière d'infrastructures de recherche. Autre particularité du PSI, son statut de "self service" pour les laboratoires extérieurs qui apportent richesse scientifique et ressources financières à l'Institut. Dernière force du PSI, sa capacité à diversifier assez largement ses thématiques de recherche. En vingt ans, deux axes importants ont notamment été développés : le traitement des tumeurs et les nouvelles technologies dans le domaine de l'énergie et du transport. Mais, l'Institut Paul Scherrer n'en oublie pas moins son but initial : maintenir à un haut niveau, son expertise dans le domaine du nucléaire et des matériaux.
