Liquid Target apporte une nouvelle touche à la fusion inertielle

Jul 29, 2023

En décembre dernier, lorsque des scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory ont réalisé un gain d'énergie net - ou un allumage - dans un réacteur à fusion, on pouvait pratiquement entendre le débouchage du champagne. La découverte du NIF était certainement une « première étape nécessaire », mais la possibilité éventuelle d'une fusion produite en masse reste encore très, très lointaine.

Raison de plus pour célébrer un premier pas, petit mais nécessaire, vers une autre forme de fusion inertielle. Des chercheurs du Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester ont démontré un concept appelé formation dynamique de coque (DS), qui pourrait être utilisé pour créer des cibles moins chères pour l'énergie de fusion inertielle.

Lors d’une réaction de fusion, deux noyaux atomiques plus légers se combinent pour former un noyau plus lourd, libérant ainsi une grande quantité d’énergie. Ces réactions se produisent dans un plasma, dans des conditions de température et de pression extrêmement élevées (plus de 100 millions de degrés Celsius). Ils ont également besoin d’un confinement fiable pour maintenir la réaction suffisamment longtemps pour obtenir un gain de puissance net.

Les cibles de carburant gelé de la National Ignition Facility sont difficiles à réaliser et chacune nécessite des jours de fabrication. C’est un problème, car une usine de fusion aurait besoin d’environ un million de cibles par jour.

À l'instar de la vaste installation largement discutée du NIF, dans le système de validation de principe du groupe de Rochester, les réactions sont déclenchées par la compression et le chauffage de cibles à l'aide de lasers. Les cibles sont de minuscules pastilles remplies de carburant, généralement constitué d’isotopes d’hydrogène, deutérium (D) et tritium (T). La puissance de fusion est ensuite générée en une fraction de seconde avant que la cible ne soit détruite par les températures et la densité extrêmes résultant de la compression.

Dans la méthode DS, au lieu des cibles conventionnelles de carburant à hydrogène gelé utilisées dans le NIF, les chercheurs utilisent des cibles liquides. Ceux-ci sont constitués d’une capsule de mousse mouillée dans laquelle une gouttelette de carburant DT liquide est injectée. La cible est ensuite bombardée par des impulsions laser chronométrées qui provoquent d’abord une onde de souffle puis la font se dilater. L'onde de souffle continue de former une coque dense avec un vide au centre, et finalement la coque implose, libérant de l'énergie de fusion.

"Il n'était pas clair si cette technique fonctionnerait en principe", explique Igor Igumenshchev, chercheur principal au LLE, "nous avons donc réalisé une expérience de preuve de principe [pour montrer] que cette évolution est possible et qu'elle est stable. suffisamment pour procéder à des recherches plus approfondies. Les chercheurs ont utilisé une cible de mousse de substitution ayant à peu près la même densité que le carburant liquide. La prochaine étape, disent-ils, sera de faire l’expérience avec le carburant DT, ce qui sera plus compliqué.

Les pastilles DT congelées qui sont classiquement utilisées dans la fusion par confinement inertiel (ICF) sont difficiles à fabriquer et il faut des jours pour produire une seule cible. C’est un problème car une usine de fusion aurait besoin d’environ un million de cibles par jour. Les cibles liquides décrites dans la technique DS ne nécessitent cependant pas la stratification cryogénique complexe des cibles congelées et sont donc beaucoup moins chères et plus faciles à produire.

Un autre avantage du concept DS est que vous commencez avec une cible plus simple : juste une gouttelette liquide, explique Valeri Goncharov, directeur de la division théorique au LLE et co-responsable du projet. Avec les lasers, dit-il, la cible est agrandie et façonnée en une coque avec une surface cible plus lisse que celle du système NIF. "Nous savons maintenant que rien, du point de vue physique, ne nous empêche de produire des cibles capables de fournir correctement l'allumage des centrales électriques", dit-il. "Ce dont nous avons besoin, c'est de compresser efficacement la cible."

L'inconvénient de la technique de formation DS est qu'elle nécessite des impulsions laser de longue durée difficiles à produire avec la technologie laser actuelle. La formation de DS génère également des interactions laser-plasma. Selon Gontcharov, « c’est actuellement le plus gros problème de l’ICF : l’élimination des ondes de plasma qui dispersent l’énergie ». C'est quelque chose sur lequel ils travaillent au LLE, ajoute-t-il.