L’un des derniers jalons restants dans la recherche sur la fusion avant d’atteindre l’allumage et la production d’énergie autonome est la création d’un plasma brûlant. Dans cet état, les réactions de fusion elles-mêmes deviennent la source dominante d’échauffement dans le plasma, mais ne surmontent pas encore tous les mécanismes de perte d’énergie.
Un état de plasma brûlant a été atteint en novembre 2020 et février 2021 à Laboratoire national Lawrence Livermorec’est Installation nationale d’allumage (NIF), le laser le plus énergétique au monde.
Illustration des deux conceptions de fusion par confinement inertiel (ICF) atteignant le régime de plasma brûlant, comme publié dans un article récent de Nature. Le cylindre HYBRID-E, à gauche, a efficacement exploité le transfert d’énergie à faisceaux croisés (CBET) pour contrôler la symétrie d’implosion alors que la capsule contenant le combustible de fusion grossissait par rapport à la taille de la cavité de rayonnement enveloppante, ou hohlraum. Le hohlraum en forme de I-Raum, à droite, ajoute des « poches » pour déplacer le mur (et le soufflage de matériau qui obstrue la propagation du faisceau laser) loin de la capsule, contrôlant la symétrie d’implosion grâce à une combinaison de géométrie et de CBET.
Le travail, qui se concentre sur les conceptions qui ont conduit à ces résultats, est présenté dans le numéro du 26 janvier de La nature intitulé « Conception d’implosions de fusion inertielle atteignant le régime de plasma brûlant », avec les physiciens du LLNL Annie Kritcher et Chris Young en tant qu’auteurs principaux.
« Dans ces expériences, nous avons atteint, pour la première fois dans une installation de recherche sur la fusion, un état de plasma brûlant où plus d’énergie de fusion est émise par le combustible qu’il n’en fallait pour initier les réactions de fusion, ou la quantité de travail effectuée sur le combustible », dit Kricher.
Ceci a été réalisé grâce à un processus de retour d’énergie appelé auto-échauffement, où le plasma de fusion se réchauffe. Lorsque l’énergie d’auto-échauffement domine l’énergie qui a été injectée pour initier les réactions de fusion, le plasma entre dans un état de plasma brûlant. La création de ce nouveau régime dans un environnement de laboratoire contrôlé est d’une grande importance scientifique pour la recherche fondamentale sur la fusion ainsi que pour le soutien de la National Nuclear Security Administration programme scientifique d’intendance des stocks. Ce travail a également servi de base au récent succès monumental du NIF pour atteindre 1,35 MJ en laboratoire pour la première fois. Cette réalisation valide également le travail effectué il y a des décennies pour établir les spécifications de puissance et d’énergie pour NIF.
Le travail décrit dans l’article présente les conceptions de fusion par confinement inertiel (ICF) qui ont permis la réalisation de plasma brûlant en laboratoire en développant des moyens plus efficaces pour conduire des cibles de fusion à plus grande échelle dans les mêmes conditions extrêmes requises pour qu’une fusion significative se produise, et dans le confins expérimentaux actuels du NIF. En augmentant l’échelle tout en maintenant des niveaux élevés de pression plasma, l’équipe a finalement pu fournir une plus grande partie de l’énergie laser initiale directement au plasma de fusion et relancer le processus de gravure. Ce faisant, l’équipe a trouvé de nouveaux moyens de contrôler la symétrie de l’implosion (en transférant l’énergie entre les faisceaux laser d’une nouvelle manière et également en modifiant la géométrie de la cible). Les conceptions ont été générées et optimisées à l’aide d’une combinaison de théorie, de modélisation informatique (HYDRA) et de modèles semi-empiriques informés par des données expérimentales.
« Nous avons appris où nous pouvions et ne pouvions pas faire confiance à la modélisation et quand nous fier à des modèles semi-empiriques », a déclaré Kritcher. « Nous avons également constaté que le maintien de la pression du pilote plus longtemps (c’est-à-dire une impulsion laser plus longue) par rapport au temps nécessaire à la cible pour « imploser » était important pour maintenir une pression plasma élevée. Sans cette pression et suffisamment d’énergie couplée au plasma chaud et dense, nous n’atteindrions pas les conditions extrêmes requises pour une fusion significative.
Le travail de conception supportant ces plates-formes ICF a commencé il y a plusieurs années. Les équipes ont d’abord reconnu les problèmes techniques limitant les performances, ont exploré de nombreuses options différentes pour résoudre ces problèmes techniques, ont présenté des choix à l’équipe élargie et ont fait une sélection inférieure. Les conceptions ont été mises à jour en permanence avec les données des expériences de réglage et finalement mises à l’épreuve dans des expériences de haute performance avec du combustible de fusion.
Ces conceptions sont généralement générées par un concepteur principal avec la contribution de l’équipe interdisciplinaire élargie comprenant des concepteurs, des expérimentateurs, des théoriciens et des experts en installations (laser et cible). Chaque nouvelle itération s’appuie sur des décennies de travail antérieur, résolvant un problème existant ou incorporant une nouvelle idée qui fait progresser les performances de fusion à un nouveau niveau. Grâce aux changements de conception décrits dans l’article, les chercheurs ont pu augmenter la taille de la cible tout en maintenant les mêmes niveaux de pression plasma extrême qui ont été atteints à plus petite échelle, tout en fonctionnant à l’énergie NIF maximale disponible.
« Il reste encore beaucoup de travail à faire et c’est une période très excitante pour la recherche sur la fusion », a déclaré Kritcher. « A la suite de ce travail, l’équipe a encore amélioré l’efficacité du hohlraum dans les deux plates-formes, augmentant la pression des points chauds, ce qui a entraîné des performances plus élevées et l’expérience record de 1,35 MJ HYBRID-E. »
Kritcher explique que cette nouvelle plate-forme est désormais le «camp de base» pour une fraction importante du travail programmatique en cours, se concentrant sur la compréhension de la sensibilité de ce nouveau régime, l’amélioration de la robustesse de la plate-forme et l’augmentation supplémentaire de l’énergie et de la pression du point chaud de fusion. « Cela sera exploré à travers une variété d’idées pour augmenter la compression du carburant et le couplage énergétique », a-t-elle déclaré.
La nature a également présenté un article intitulé « Plasma brûlant réalisé en fusion inertielle », avec les physiciens du LLNL Alex Zylstra et Omar Hurricane en tant qu’auteurs principaux.
La source: LNNL
