Les chercheurs de Sandia National Laboratories Z Machine ont ouvert un nouveau chapitre de leur voyage de 20 ans vers des rendements de fusion plus élevés en introduisant le tritium, l'isotope de l'hydrogène le plus chargé en neutrons, au carburant de leurs cibles.

Quand Z tire, son énorme champ électromagnétique écrase le carburant préchauffé, le forçant à fusionner. Le combustible enrichi en tritium devrait libérer beaucoup plus de neutrons que les précédents maximums à Z, déjà parmi les plus élevés au monde.

"Cette chose à propos de la création d'énergie là où il n'y en avait pas auparavant - nous n'avons pas encore de feu de joie, mais on fait gicler le démarreur sur le gril, " a déclaré Mike Cuneo, directeur principal du groupe Science et technologie des accélérateurs de puissance pulsée de Sandia.

La sortie de Z a été utilisée pendant des décennies pour fournir des informations pour des simulations informatiques qui testent l'état de préparation du stock nucléaire américain sans faire exploser une arme réelle. Il est également utilisé par les astrophysiciens qui utilisent les pressions et les températures momentanément étonnantes de la machine pour comprendre les conditions dans les étoiles et les noyaux des planètes. Et certains espèrent que les pressions créées principalement par l'électricité et le magnétisme pourront un jour atteindre des conditions de fusion nucléaire propices à la production d'énergie; cette condition est appelée « rendement élevé ».

L'introduction du tritium présente un grand intérêt technique car un mélange 50/50 de tritium et de deutérium, les deux isotopes de l'hydrogène, émet 80 fois plus de neutrons, et 500 fois plus d'énergie, que le deutérium seul. L'énergie du deutérium - pour ainsi dire, un carburant à indice d'octane relativement faible - a été la limite supérieure de la production à Z.

Mais il est encore tôt. Une descente à sec en juillet, tester le matériel et l'instrumentation de confinement, a précédé la première expérience de tritium de Z trois semaines plus tard, lorsqu'une fraction de pour cent a été prudemment introduite dans le carburant de l'expérience.

"Nous allons ramper avant de marcher et de courir, " a déclaré Cuneo. " Nous augmenterons progressivement cette fraction dans les expériences confinées au fur et à mesure. "

Seuls deux autres financés par le ministère de l'Énergie, sites de recherche à haute densité énergétique, au Lawrence Livermore National Laboratory et au Laboratoire d'énergie laser de l'Université de Rochester, avait été autorisé à utiliser du tritium, un danger potentiel pour l'environnement.

Les expériences de Sandia utilisent l'électromagnétisme pour écraser la cible plus massive de Z et toute sa zone de support de cible comme s'ils avaient été touchés par un marteau. Contrairement aux installations laser, la chambre Z doit être entrée par le personnel après chaque expérience pour remettre à neuf l'installation pour la prochaine expérience. Dans ces conditions, l'introduction de tritium dans la cible nécessite un soin et une prévoyance extrêmes dans la conception, le transport et le confinement du tritium pour répondre à des normes de sécurité rigoureuses.

"Le tritium est comme le sable à la plage, ça rentre dans tout, " dit Cuneo. " Alors pour l'instant, nous ne pouvons le laisser aller nulle part." L'isotope est une petite molécule avec beaucoup de mobilité, et le premier grand obstacle, il dit, est de s'assurer que la matière radioactive avec sa demi-vie de 12 ans ne migre pas vers les bassins d'eau et d'huile d'un million de gallons qui isolent les composants électriques pulsés de Z. "Les installations laser n'ont pas ces piscines, " il a souligné.

Le tritium pourrait également se lier aux parois métalliques de la zone centrale de Z, présentant un risque radioactif potentiel où les techniciens entrent quotidiennement pour frotter après chaque tir.

Cependant, en utilisant le même design unique qui a contenu du plutonium sur plus d'une douzaine de plans Z précédents, aucun tritium n'a été libéré.

Près de 100 membres du personnel de Sandia ont contribué directement à l'effort, financé par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia. Des chercheurs de General Atomics, Laboratoire national de Los Alamos, l'Université du Nouveau-Mexique et l'Université d'État de l'Utah.

Les travaux futurs seront financés par la National Nuclear Security Administration (NNSA).

« Il y a eu un haut niveau d'intégration sur le confinement des installations et la radioprotection, pour bien le faire, " a déclaré Brent Jones, responsable de l'intégration des installations. "Le groupe de transfert de gaz Sandia-California, avec des décennies d'expérience dans le traitement du tritium, développé une méthode de logement, livrer et contenir le matériel. Ils ont construit un appareil qui pouvait charger une petite mais définie quantité de tritium; les gens du générateur de neutrons ont rempli la cible de tritium; et les gens du confinement du plutonium ont apporté leur expertise en matière de tir."

L'équipe doit maintenant évaluer si le tritium peut être utilisé en toute sécurité dans des expériences non confinées, leur but ultime. Des tests confinés permettent d'évaluer la compatibilité du tritium avec les matériaux et les pressions de Z, mais ne mesurez pas avec précision les sorties de fusion.

"L'utilisation de tritium contenu sur Z est la première étape de ce voyage, " dit Cuneo. " Il y a encore beaucoup de travail à faire.

"Semblable à ce qui se fait dans les installations laser [fusion], une idée [pour une expérience non confinée] est de purger le tritium immédiatement après un tir afin qu'il ne colle pas aux parois de la chambre Z. Nous devons être en mesure de purger efficacement la section centrale à un niveau sûr avant que les techniciens n'entrent pour la remettre à neuf. »

Les expériences non confinées commenceront avec de très faibles niveaux de tritium et s'intensifieront progressivement au cours d'un processus de plusieurs années. « Nous espérons découvrir que nous serons en mesure de gérer en toute sécurité 1 à 3 % de tritium dans des expériences non confinées, suffisant pour faire progresser les applications de fusion par confinement inertiel, autres applications de la science des armes et essais d'effets neutroniques, " a déclaré Coni.

Il faudra au moins trois ans avant que les expériences n'approchent le mélange 50/50 de tritium et de deutérium, en fonction du financement et des priorités de Sandia et de la NNSA pour Z.