Lawrence Livermore réalise un plasma brûlant en laboratoire: Physics Today: Vol 75, No 4

La fusion inertielle nécessite une compression mille fois supérieure de la matière à des densités et des températures ultra-élevées. Le Soleil et d’autres étoiles utilisent la gravité pour faire le travail et fusionnent l’hydrogène en hélium. Pour imiter l’effet sur Terre, les scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory utilisent la banque de lasers la plus puissante au monde pour presser les isotopes de l’hydrogène – le deutérium et le tritium – dans une capsule de 2 mm de large.

L’installation entraîne 192 faisceaux laser dans un cylindre creux de 1 cm de haut, doublé d’or, connu sous le nom de hohlraum, illustré à la figure 1, qui suspend la capsule à l’intérieur. Après avoir absorbé la lumière laser UV, la paroi intérieure du hohlraum réémet un flux de rayons X mous. En 8 ns, ces rayons X accélèrent et compriment les isotopes de l’hydrogène en un point chaud de la moitié de la largeur d’un cheveu humain à une température de 60 millions de kelvin et une pression de 350 GPa.

Sous la surface de la capsule, le carburant hydrogène réside sous la forme d’une coque mince, refroidie à 18 K avant la compression. Plus le carburant est froid au départ, plus il est compressible – et donc plus il devient chaud et dense. La propre inertie du combustible fournit un délai suffisant entre l’implosion et sa décélération soudaine pour que la force nucléaire forte convertisse une petite fraction de paires d’isotopes en neutrons et noyaux d’hélium, ou particules alpha.

Contrôler ces conditions est loin d’être facile. Chaque fois qu’un fluide léger appuie sur un fluide plus lourd, l’interface souffre d’instabilités de Rayleigh-Taylor. Toute imperfection à la surface de la capsule donne lieu à des fluctuations hydrodynamiques qui privent l’implosion d’efficacité. Une fois que la capsule commence à s’effondrer, elle peut perdre sa symétrie sphérique et se transformer en une goutte bosselée. Pire encore, les imperfections peuvent suffisamment déstabiliser l’implosion pour mélanger le carburant comprimé avec le matériau de la capsule. Les impuretés présentes dans le mélange de carburant éloignent les rayons X du point chaud et le refroidissent rapidement.

Néanmoins, les chercheurs injectent de l’hydrogène dans l’hélium, bien qu’inefficacement, depuis des décennies. Depuis 2009, les scientifiques du NIF s’efforcent de gérer les instabilités Rayleigh-Taylor en laboratoire. Le défi consiste à chauffer le point chaud du plasma plus rapidement que tout processus de refroidissement, tel que la conduction thermique ou le rayonnement de bremsstrahlung, ne peut éteindre la fusion. Cela a été un objectif insaisissable.

Dans trois articles – un en Natureun dans Physique naturelleet un troisième sur le serveur eprint arXiv – la collaboration NIF rapporte une réalisation plus modeste : la création d’un plasma brûlant dans quatre expériences qu’elle a menées entre fin 2020 et début 2021.1–31. AB Zylstra et coll., Nature 601, 542 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04281-w2. AL Kricher et coll., Nat. Phys. 18, 251 (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01485-93. JS Ross et coll.https://arxiv.org/abs/2111.04640v1. Dans les plasmas brûlants, les réactions de fusion elles-mêmes – et non la compression – sont la principale source de chaleur pour le plasma. Les particules alpha produites par les réactions entrent en collision avec des électrons dans le point chaud. Ces électrons thermiquent ensuite et chauffent davantage le carburant.

Le processus est un précurseur essentiel du but ultime de l’allumage, un régime dans lequel la chaleur de ces particules alpha dépasse toutes les pertes de chaleur du système. L’instabilité thermique qui en résulte déclenche alors une augmentation non linéaire de la température qui entretient et propage la combustion plus profondément dans le combustible environnant. Plus la température est élevée, plus la fusion est importante, plus il y a de particules alpha qui entrent en collision dans le point chaud et plus la température est élevée.

Atteindre un état de plasma brûlant au NIF est venu d’une optimisation itérative. Aucune mesure ne révèle la présence de l’État. Au lieu de cela, une suite complète de diagnostics optiques, radiographiques et nucléaires révèle les aspects clés de l’implosion. Parmi les données figurent le rendement neutronique en fonction du temps ainsi que la taille, le volume et l’énergie du point chaud. Une métrique simple pour évaluer la présence d’un plasma brûlant consiste à évaluer si l’intégrale temporelle de la puissance de fusion – en fait, l’énergie acquise par le point chaud à partir du chauffage des particules alpha – dépasse le travail de compression total effectué sur le point chaud. Toutes les expériences récentes ont satisfait à cette métrique et à d’autres plus rigoureuses.

“Ayant atteint ce régime”, déclare Omar Hurricane, scientifique en chef du programme Inertial Confinement Fusion de Lawrence Livermore, “nous sommes maintenant sur le point de s’enflammer. La réalisation ouvre non seulement l’accès à une nouvelle physique intéressante, mais remplit la mission centrale du NIF – soutenir la gestion des stocks. » Au fur et à mesure que de nouvelles données émergeront, les chercheurs pourront ajuster leurs codes informatiques pour simuler plus précisément ce qui se passe lors d’une explosion thermonucléaire.

Les expériences et les simulations ont toujours travaillé main dans la main à Lawrence Livermore et au NIF, et le programme de fusion inertielle a été une immense collaboration qui a pris la majeure partie de la dernière décennie. Plus de 150 coauteurs ont participé à chacun des trois articles.

Dans les quatre expériences, les lasers ont libéré 1,9 MJ sous la forme d’une impulsion de 8 ns. Chaque tir triplait à peu près l’énergie de fusion obtenue lors des expériences record précédentes – jusqu’à un maximum de 170 kJ. La collaboration s’est arrêtée avant de revendiquer l’allumage de ces tirs ou d’un cinquième tir record de 1,3 MJ réalisé quelques mois plus tard en août. (Voir “Lawrence Livermore revendique une étape importante dans la fusion laser,” La physique aujourd’hui en ligne, 17 août 2021.)

Pour apprécier ces chiffres, gardez à l’esprit que 1 MJ correspond à peu près à l’énergie calorique d’une barre chocolatée. C’est aussi la quantité d’énergie explosive dans une grenade à main. La différence réside dans le temps que chacun prend pour libérer son énergie. L’énergie de 1,9 MJ du laser du NIF est fixe. Ainsi, pour générer des implosions plus puissantes, les chercheurs ont dû augmenter la taille de la capsule de combustible d’environ 15 % tout en gardant les dimensions du hohlraum presque fixes.

Cette approche a été compliquée par la dynamique de l’expérience. Au fur et à mesure que le hohlraum se réchauffe sous irradiation, moins d’espace devient disponible pour que les faisceaux se propagent à l’intérieur. Comme le montre la figure 2, un « cône extérieur » de faisceaux laser atteint la paroi du hohlraum près de ses extrémités. Ces faisceaux produisent une bulle de plasma d’or qui se dilate et peut couper les faisceaux intérieurs dirigés plus profondément, près de la taille du hohlraum. La non-uniformité résultante de la température de rayonnement entraîne une implosion asphérique.

Des années plus tôt, les scientifiques du NIF avaient en partie résolu ce problème en introduisant de l’hélium gazeux pour ralentir l’expansion et prévenir l’écrêtage. La simple présence de gaz, cependant, pose ses propres problèmes : des instabilités laser-plasma qui rétrodiffusent les faisceaux et transportent leur énergie hors du hohlraum. Lorsque les scientifiques ont réduit la densité du gaz, ils ont constaté que ces instabilités devenaient beaucoup plus gérables. Mais la réduction a également augmenté la vitesse à laquelle la bulle de plasma s’est dilatée. Contourner le problème, ont-ils réalisé, nécessiterait une implosion plus rapide et donc plus de puissance pour la conduire.

Les scientifiques du NIF ont construit une capsule plus grande pour absorber plus de rayonnement et fournir cette puissance supplémentaire. Heureusement, au préalable, ils avaient également modifié sa composition – en remplaçant la coque en plastique d’hydrocarbure de la capsule par une en diamant microcristallin. Au départ, les capsules de diamant présentaient de nombreux défauts qui nécessitaient une ingénierie difficile à résoudre, mais finalement les surfaces extérieures des remplacements étaient plus lisses et largement exemptes de fosses et de vides qui avaient semé des instabilités et ruiné des implosions lors d’expériences antérieures.

Avec une densité du diamant triple de celle du plastique, la capsule est devenue un meilleur absorbeur de rayons X et donc un compresseur plus efficace. Sa coque était également plus fine, ce qui signifiait que les chercheurs pouvaient utiliser une impulsion laser plus courte – jusqu’à 8 ns au lieu de 20 ns – pour comprimer la capsule. Cela aussi a accéléré l’implosion.

La nouvelle conception de la capsule n’a pas entièrement empêché l’interception des faisceaux laser par un plasma en expansion. Pour restaurer l’uniformité du chauffage au laser, l’équipe a testé deux tactiques de conception supplémentaires. L’une d’elles, une technique déjà bien établie connue sous le nom de transfert d’énergie par faisceaux croisés, consistait à décaler la longueur d’onde des faisceaux laser internes de seulement 1,5 Å par rapport aux faisceaux externes. Lorsque les faisceaux se croisent en entrant dans le hohlraum, ils se dispersent à travers un réseau de diffraction efficace mis en place par des interactions laser-plasma. La diffusion transfère l’énergie des faisceaux extérieurs vers les faisceaux intérieurs. Et ce transfert, à son tour, fournit plus de chaleur à la taille du hohlraum et égalise le flux de rayons X sur la capsule.

La deuxième tactique consistait à ajouter deux poches dans le hohlraum près de ses pôles. Ces poches fournissent un espace dans lequel le plasma peut se dilater et retarder ainsi la mesure dans laquelle il obstrue les faisceaux internes. Ils se sont avérés insuffisants pour contrôler la symétrie de rayonnement. Mais ils ont réduit le décalage de longueur d’onde nécessaire pour maintenir cette symétrie autour de la capsule.

Même si l’allumage est imminent, Hurricane prévient que la conversion de l’expérience NIF ou de tout autre projet de fusion en une source d’énergie commerciale propre et durable est encore loin. Pourtant, “le House Science Committee semble désireux de lancer bientôt un programme fédéral d’énergie basé sur la fusion”, déclare Steven Cowley, directeur du Princeton Plasma Physics Laboratory. La version adoptée par la Chambre du projet de loi Build Back Better prévoit 140 millions de dollars sur cinq ans pour que le ministère de l’Énergie mette en œuvre un programme de R&D sur la fusion inertielle. Mais le projet de loi est au point mort au Sénat, où il n’a pas les voix requises pour son adoption.

Les centrales nucléaires existantes utilisent la fission, la libération d’énergie lorsque l’uranium ou d’autres éléments lourds sont décomposés en noyaux plus petits. Ils produisent également des déchets radioactifs. La fusion, en revanche, ne produit qu’une radioactivité de courte durée induite dans les composants du réacteur par le flux intense de neutrons à haute énergie des réactions. C’est aussi plus sûr car les réactions peuvent être arrêtées en réduisant simplement la température.

Quant à savoir quelle approche de fusion – un réacteur NIF amélioré et modifié, un tokamak ou un autre système – reçoit finalement un soutien, le jury est sorti. Cowley dit: “Quand viendra le temps de prendre une décision, il sera difficile de choisir.”

  1. 1. AB Zylstra et coll., Nature 601, 542 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04281-w, Google ScholarRéférence croisée
  2. 2. AL Kricher et coll., Nat. Phys. 18, 251 (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-021-01485-9, Google ScholarRéférence croisée
  3. 3. JS Ross et coll.https://arxiv.org/abs/2111.04640v1. Google Scholar
  1. © 2022 Institut américain de physique.

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