Les énergies de fusion par laser ne correspondent pas aux attentes

Agrandir / Où la procédure a lieu à l’intérieur de l’installation nationale d’allumage.

Lundi, un article a été publié décrivant certains résultats déroutants du National Ignition Facility, qui utilise de nombreux lasers hautement énergétiques concentrés sur une petite cible pour démarrer une réaction de fusion. Au cours des dernières années, l’installation a franchi des étapes importantes, notamment l’allumage par fusion et la création de ce que l’on appelle le plasma brûlant.

Maintenant, les chercheurs ont analysé les propriétés du plasma lorsqu’il subit ces états de haute énergie. À leur grande surprise, ils ont constaté que le plasma brûlant semblait se comporter différemment de celui qui avait été soumis à l’inflammation. Pour le moment, il n’y a pas d’explication claire à la différence.

Allumage contre combustion

Dans les expériences présentées ici, le matériau utilisé pour la fusion est un mélange de tritium et de deutérium, deux isotopes plus lourds que l’hydrogène. Ceux-ci se combinent pour produire un atome d’hélium, laissant un neutron de réserve à émettre ; L’énergie de la réaction de fusion est libérée sous forme de rayons gamma.

Le processus de fusion est déclenché par une brève rafale de lumière laser extrêmement intense dirigée vers un petit cylindre de métal. Le métal émet des rayons X intenses, qui vaporisent la surface des grains voisins, créant une onde intense de chaleur et de pression à l’intérieur des grains, là où se trouvent le deutérium et le tritium. Ceux-ci forment des plasmas à haute énergie, qui créent les conditions de la fusion.

Si tout se passe bien, l’énergie transmise enflamme le plasma, ce qui signifie qu’aucune énergie supplémentaire n’est nécessaire pour maintenir les réactions de fusion pendant la fraction de seconde qui s’écoule avant que tout n’explose. À des énergies plus élevées, le plasma atteint un état appelé combustion, où les atomes d’hélium qui se forment transportent tellement d’énergie qu’ils peuvent enflammer le plasma adjacent. Ceci est essentiel, car cela signifie que le reste de l’énergie (sous forme de neutrons et de rayons gamma) peut être récolté pour produire de l’énergie utile.

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Bien que nous ayons des modèles détaillés de la physique qui se déroulent dans ces conditions extrêmes, nous devons comparer ces modèles à ce qui se passe à l’intérieur du plasma. Malheureusement, étant donné que le plasma et le matériau qui l’entourait auparavant sont en train d’exploser, cela représente tout un défi. Pour se faire une idée de ce qui pourrait se passer, les chercheurs se sont tournés vers l’un des produits de la réaction de fusion elle-même : les neutrons qu’elle émet, qui peuvent traverser les débris et être captés par des détecteurs à proximité.

mesure de température

La physique des réactions de fusion produit des neutrons d’une certaine énergie. Si la fusion se produisait dans un matériau où les atomes étaient fixés, tous les neutrons sortiraient avec cette énergie. Mais il est clair que les noyaux atomiques du plasma – le tritium et le deutérium – se déplacent violemment. Selon la façon dont ils se déplacent par rapport au détecteur, ces ions peuvent transférer un peu d’énergie supplémentaire aux neutrons, ou en soustraire un peu.

Cela signifie qu’au lieu d’apparaître comme une ligne nette à une certaine énergie, les neutrons sortent dans une gamme d’énergies qui forment une large courbe. Le pic de cette courbe est lié au mouvement des ions dans le plasma, et donc à la température du plasma. Plus de détails peuvent être extraits de la forme de la courbe.

Entre le point d’allumage et le point de combustion, nous semblons avoir une compréhension précise de la relation entre la température du plasma et la vitesse des atomes dans le plasma. Les données des neutrons s’alignent bien avec la courbe calculée à partir des prédictions de notre modèle. Cependant, une fois que le plasma passe à la combustion, les choses ne sont plus identiques. C’est comme si les données neutroniques trouvaient une courbe complètement différente et la suivaient à la place.

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Alors, qu’est-ce qui pourrait expliquer cette courbe différente? Ce n’est pas que nous n’en avons aucune idée. Nous en avons un tas et il n’y a aucun moyen de les différencier. L’équipe analysant ces résultats a suggéré quatre explications possibles, y compris une cinétique inattendue de particules individuelles dans le plasma ou une incapacité à tenir compte des détails dans le comportement des plasmas de masse. Alternativement, le plasma brûlant pourrait s’étendre sur une zone différente ou durer une durée différente de celle à laquelle nous nous attendions.

Dans tous les cas, disent les auteurs, « Comprendre la raison de cet écart par rapport au comportement hydrodynamique peut être important pour obtenir un allumage robuste et reproductible. »

physique de la nature2022. DOI : 10.1038 / s41567-022-01809-3 (À propos des DOI).

Jacinthe Poulin

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