Des essais de fusion au laser déclenchent des espoirs énergétiques
le 29-01-2010
Les premières expériences réalisées au National Ignition Facility (NIF) du laboratoire national Lawrence Livermore en Californie ont révélé un effet physique particulier qui est de bon augure pour que le NIF réussisse à générer une réaction de fusion nucléaire autonome.
Dans des expériences de fusion à confinement inertiel (FCI) réalisées au NIF, on projette l’énergie de 192 lasers puissants dans un cylindre de la taille d’une gomme de crayon appelé « hohlraum » (« cavité » en allemand; aussi appelé « corps noir ») qui contient une petite cible sphérique pleine de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène. La compression de la capsule de combustible à la manière d’une fusée force les noyaux d’hydrogène à se combiner, c’est-à-dire à se fusionner, ce qui libère une quantité d’énergie plusieurs fois supérieure à l’énergie de laser nécessaire pour déclencher la réaction. Rappelons que c’est l’énergie de fusion qui alimente le soleil et les étoiles.
L’interaction entre les faisceaux laser de grande puissance du NIF et le plasma chaud de ses cibles de fusion – que l’on appelle les interactions laser-plasma (ILP) – ont longtemps été considérées comme une importante difficulté de la recherche sur la FCI, car les faisceaux laser ont tendance à se disperser et à dissiper leur énergie. Cependant, lors d’une série de tirs d’essai réalisés en se servant de cibles pleines d’hélium et d’hydrogène l’automne dernier, les chercheurs du NIF ont réussi à tirer parti des ILP pour ajuster la répartition de l’énergie des faisceaux laser du NIF.
Présentées dans un article de l’édition du 28 janvier de Science Express – la version de la revue Science en ligne, les expériences ont donné une compression très symétrique des capsules de combustible simulées; cette symétrie est nécessaire pour que le NIF atteigne son objectif de déclencher la fusion et de réaliser des gains en énergie lorsque les expériences d’allumage commenceront plus tard cette année.
« Les interactions laser-plasma constituent une instabilité et, souvent, elles peuvent surprendre », a indiqué le directeur des programmes en FCI, Brian MacGowan. « Nous avons toutefois démontré dans ces expériences que nous pouvions utiliser les ILP pour transférer de l’énergie et réellement contrôler la symétrie dans le « hohlraum ». Globalement, nous n’avons repéré dans les ILP aucun problème inhérent qui nous empêcherait de générer un "hohlraum" qui convient à l’allumage. »
Le recours aux effets ILP pour régler l’énergie des lasers en FCI est un « moyen très élégant d’y arriver », a indiqué Siegfried Glanzer, chef du groupe de la physique des plasmas du NIF. « On peut modifier les longueurs d’ondes des lasers et diriger la puissance là où on en a besoin sans augmenter la puissance des faisceaux lasers individuels. De cette manière, on peut optimiser l’utilisation de toute l’énergie des faisceaux laser dont on dispose. »
Dans l’article du Science Express, Glenzer, MacGowan et leurs collègues du NIF déclarent que « les réseaux optiques qui se génèrent d’eux-mêmes dans le plasma à chaque bout du "hohlraum" y ajustent la répartition de l’énergie des lasers pour produire une symétrie dans l’impulsion de rayons X ». Glenzer ajoute que les réseaux agissent comme de petits prismes qui réorientent l’énergie de certains des faisceaux laser, tout comme le font les prismes qui coupent la lumière du soleil et la dévient en fonction de sa longueur d’ondes.
Glenzer attribue le nouveau phénomène des ILP à la taille des « hohlraums » utilisés dans les essais qui, bien qu’un peu plus petits que les cibles d’allumage réelles du NIF, sont de deux à trois fois plus gros que ceux dont on s’est servi dans des expériences antérieures de FCI à d’autres installations de lasers. Il indique que la quantité accrue de plasma de faible densité à température élevée dans les zones où les faisceaux laser entrent dans le « hohlraum » est la cause de la génération spontanée des réseaux dans le plasma.
La technique qui constitue à modifier légèrement la longueur d’ondes de certains faisceaux laser pour contrôler le transfert d’énergie entre les faisceaux et égaliser la répartition de l’énergie des lasers dans le « hohlraum » avait été prévue et modélisée par les scientifiques du NIF se servant de simulations tridimensionnelles haute-fidélité. Dans les expériences de l’automne dernier, une cible d’implosion d’abord asymétrique ayant la forme d’une « crêpe » a été convertie en forme sphérique grâce à la technique de modification des longueurs d’ondes, validant ainsi les résultats de la modélisation.
Le système de lasers du NIF a commencé à projeter l’ensemble des 192 faisceaux laser sur des cibles en juin 2009. Pour caractériser l’impulsion de rayons X obtenue à l’intérieur des cylindres cibles quand l’énergie des lasers est accélérée, ces premières expériences ont été réalisées avec des énergies lasers moins élevées et sur de plus petites cibles que celles qui serviront aux expériences d’allumage. Ces cibles faisaient appel à des capsules de gaz refroidis à très basses températures qui tiennent lieu de substituts pour les capsules de combustible de fusion qui serviront dans les opérations d’allumage qui commenceront cet été.
Avant la mise à l’essai des effets tirés de la modification des longueurs d’ondes, la seule manière d’ajuster l’énergie des lasers se rendant aux parois de l’« hohlraum » – où elle est convertie en rayons X qui chauffent et rognent la surface externe de la capsule de combustible et causent la compression du combustible à l’intérieur – était d’ajuster l’énergie relative des faisceaux laser dans les premières phases du tir, pendant la préamplification.
En tirant parti des effets des ILP dans la cible, au moment où les faisceaux se croisent à l’entrée des « hohlraums », les scientifiques ont pu se servir de minuscules ajustements de la longueur d’ondes, allant d’une fraction d’un angström à quelques angströms (un angström équivaut à un dix-milliardième de mètre, soit environ la taille d’un atome). Grâce aux effets des ILP, « on peut opérer chacun des faisceaux à sa puissance maximale et disposer d’un autre mécanisme de répartition pour obtenir la symétrie », explique Glenzer.
Les tirs d’essai ont démontré que le NIF pouvait diriger assez d’énergie vers le « hohlraum » pour atteindre les températures de radiance – plus de 3 millions de degrés Celsius – nécessaires pour créer le bain intense de rayons X qui comprime la capsule de combustible. Quand les scientifiques du NIF extrapolent les résultats des expériences initiales sur des tirs à énergie plus élevée sur des « hohlraums » de pleine taille, « nous croyons que nous arriverons à créer les conditions nécessaires dans le "hohlraum" pour pousser une implosion à s’allumer », indique Jeff Atherton, directeur des expériences du NIF. À la fin de la batterie d’expériences, le jeu de lasers du NIF a inscrit un record du monde en projetant plus de un mégajoule d’énergie ultraviolette dans un « hohlraum », plus de trente fois l’énergie antérieurement livrée à une cible par un système de lasers.
« Cette réalisation constitue une étape importante qui démontre à la fois la puissance et la fiabilité du système intégré de lasers du NIF, des objectifs de précision et de l’intégration du diagnostic scientifique requis pour commencer les expériences d’allumage », indique le directeur du NIF, Ed Moses. « Le NIF a démontré qu’il peut régulièrement livrer l’énergie nécessaire pour réaliser les expériences d’allumage plus tard cette année. »
La prochaine étape du NIF est de passer à des capsules de combustible semblables à celles destinées à l’allumage qui exigent que le combustible soit dans une couche d’hydrogène gelé (à 425 degrés Fahrenheit sous zéro) à l’intérieur des capsules. On est en train de préparer le NIF pour commencer les expériences avec des capsules de combustible semblables à celles destinées à l’allumage au cours de l’été 2010.
La plus grande installation de lasers au monde, le NIF (lasers.llnl.gov) est la première installation qui pourrait déclencher la fusion et obtenir un gain en énergie en laboratoire. Le NIF est une composante essentielle du programme d’intendance des stocks de l’instance nationale de sécurité nucléaire des États-Unis, la National Nuclear Security Administration, qui assure la fiabilité et la sécurité du stock d’armes nucléaires du pays sans réaliser d’essais réels. Les expériences du NIF serviront aussi à réaliser de la recherche scientifique astrophysique et fondamentale pour développer une énergie de fusion sans émission de carbone et illimitée.
Les expériences de déclenchement de la fusion du NIF font partie du programme national d’allumage (PNA). Le PNA est un partenariat entre la National Nuclear Security Administration (NNSA), le laboratoire national Lawrence Livermore, le laboratoire national de Los Alamos, le laboratoire d’énergétique du laser, General Atomics et les laboratoires nationaux Sandia, ainsi que de nombreux autres laboratoires nationaux et d’universités du pays.
Fondé en 1952, le laboratoire national Lawrence Livermore (www.llnl.gov) est un laboratoire de sécurité national qui développe la science et le génie technologique, et apporte des solutions novatrices aux plus importants défis du pays. Le laboratoire national Lawrence Livermore relève de Lawrence Livermore National Security, S.A.R.L., pour la National Nuclear Security Administration du département de l’Énergie des É.-U.
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