La National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory et les ingénieurs de General Atomics ont créé une capsule de combustible à fusion par confinement inertiel (ICF) avec un tube de remplissage de deux microns de diamètre. a trouvé une solution à un dilemme de type « Bay Bridge » qui aurait pu considérablement ralentir le processus de fabrication des capsules NIF.

Le mois dernier, Le NIF a effectué le premier test d'un tube de deux microns utilisé pour injecter de l'hydrogène dans une capsule cible. Le petit tube a fonctionné comme prévu et a réduit l'empreinte des tubes de cinq et 10 microns qui se sont avérés causer des problèmes dans les implosions NIF.

Les tubes de verre minces s'insèrent également dans des capsules de carburant fabriquées avec une technique différente, appelé cyclage de pression, ce qui était nouveau pour cette application. Cela a réduit le temps de fabrication prévu de six mois à environ deux jours.

Ces deux améliorations sont des étapes importantes vers la réalisation de la mission de gestion des stocks du NIF. L'ICF est un aspect clé pour assurer la sécurité, la sécurité et la fiabilité des armes nucléaires du pays.

"Maintenant, nous allons voir à quel point cela s'améliore lorsque vous rendez le tube de remplissage encore plus petit, " a déclaré le directeur adjoint du programme Michael Stadermann. " Passer de 10 à cinq (dans les expériences précédentes) a été une grande amélioration des performances. "

Les tubes de remplissage sont utilisés pour injecter un mélange de deutérium et de tritium (DT) dans une coquille sphérique de la taille d'un grain de poivre suspendue à l'intérieur d'un hohlraum. Les 192 faisceaux laser à haute énergie du NIF ont frappé les murs intérieurs du hohlraum, générer des rayons X qui déclenchent une réaction de fusion lorsque le mélange DT se comprime en un point chaud générant de l'énergie.

Les perturbations dégradent les performances

Mais les chercheurs ont précédemment déterminé à travers des données de tir et des simulations informatiques que des tubes de 10 microns remplissaient, alors que seulement environ un sixième du diamètre moyen des cheveux humains, ont été un facteur de perturbations qui ont dégradé les performances d'implosion du NIF, en particulier dans les expériences utilisant des coquilles d'ablation de diamant.

"Idéalement, lorsque vous faites une expérience sur NIF, vous voulez avoir une coque ronde impeccable qui a le carburant à l'intérieur, " a déclaré Stadermann. " Tout type d'écart par rapport à la perfection conduit à des perturbations, ce qui à son tour peut réduire la quantité de fusion que nous pouvons obtenir."

Le tube de remplissage, il expliqua, conduit à une "petite énigme. Nous devons obtenir le carburant à l'intérieur de la capsule, mais en même temps, quand on met un tube de remplissage, nous créons une imperfection."

La réduction des largeurs de 10 microns à cinq microns a aidé. Plus tôt cette année, NIF a atteint un rendement total de neutrons de fusion de 1,9 × 10 ¹⁶ (19 quadrillions), doubler le record précédent. La complexité d'amincir les tubes de remplissage, cependant, augmenté le temps de fabrication des gélules d'environ une semaine à environ quatre semaines.

Diamond Materials GmbH en Allemagne fabrique des coquilles de diamant en recouvrant un mandrin sphérique en silicium avec du carbone à haute densité. Chez General Atomics à San Diego, un mélange d'acide nitrique et d'acide fluorhydrique est injecté à travers un trou percé pour le tube de remplissage. L'acide décape le matériau du mandrin, laissant finalement juste la coquille de diamant, qui est ensuite attaché au tube de remplissage pour former des ensembles de tube de remplissage de capsule.

Avec des trous de remplissage plus larges, le mandrin dissous à l'acide sortirait par diffusion à travers le trou en quelques jours. Le passage aux tubes de remplissage de 5 microns, cependant, nécessitait des trous de remplissage plus petits percés au laser, ce qui augmente le temps de diffusion.

Stadermann a comparé le ralentissement au trajet du matin entre San Francisco et Oakland Bay Bridge.

"Plus vous rétrécissez cette ouverture, plus il est difficile de sortir le mandrin dissous, " a-t-il dit. "C'est comme avoir une autoroute à huit voies qui va à San Francisco et que soudainement vous la réduisez à quatre voies. Vous essayez toujours d'amener le même nombre de voitures en ville chaque jour, donc vous allez avoir un embouteillage et ça va prendre beaucoup plus de temps pour que tout le monde entre. »

En contemplant un tube plus mince il y a environ un an, Les ingénieurs de LLNL et de General Atomics ont fait un calcul décourageant :sur la base de l'augmentation exponentielle du temps nécessaire pour passer de 10 microns à 5 microns, faire en sorte que la capsule puisse accueillir un tube de deux microns peut prendre jusqu'à six mois.

"C'était insupportable, évidemment, ", a déclaré Stadermann.

L'ingénieur General Atomics Casey Kong a qualifié la tâche de « assez intimidante ».

"Lorsque l'idée de tubes de remplissage de deux microns a été lancée, nous avons plaisanté en disant que nous serions tous à la retraite au moment où un obus aurait fini de lessiver, " il a dit.

Cyclage de pression

Intrépide, l'équipe de General Atomics, dont Neal Rice et Wendi Sweet, a continué. Kong a déclaré que l'idée du cycle de pression venait de plusieurs personnes, dont le scientifique de laboratoire Tom Braun, qui a montré une vidéo illustrant comment la pression pouvait faire entrer et sortir du liquide d'une coque pour une autre application liée au NIF. Les scientifiques du LLNL Juergen Biener et Tom Bunn ont aidé à soutenir les efforts de l'équipe General Atomics.

Avec cyclage de pression, la coquille est placée dans un petit flacon à l'intérieur d'un récipient de pressurisation. La pression est augmentée jusqu'à cinq atmosphères, rétrécir la bulle de gaz qui se forme à l'intérieur du processus de gravure et aspirer de l'acide frais. La cuve est alors dépressurisée, qui dilate la bulle et repousse le matériau de mandrin indésirable. Le cycle est répété jusqu'à ce que le matériau restant s'écoule.

« Nous avons pu réduire ce processus de gravure de six mois à plusieurs jours pour le trou de deux microns, en même temps raccourcir le temps pour les trous de forage de 5 microns à moins d'un jour d'environ un mois, ", a déclaré Stadermann.

L'équipe devait également s'assurer que les tubes fragiles de deux microns pouvaient être fabriqués et assemblés avec la capsule. La partie de deux microns du tube mesure seulement environ un millimètre de long et se connecte à une partie plus longue qui se rétrécit au-delà de la capsule jusqu'à environ 40 microns de diamètre.

Mais le vendeur qui a fabriqué le tube de 5 microns ne pouvait pas fournir une version plus fine. Jay Crippen, liaison ingénierie fabrication pour la division General Atomics Inertial Fusion Technologies, travaillé avec d'autres fournisseurs pour qualifier une nouvelle source.

L'équipe a également dû tester la colle qui maintient le tube en place pendant que le carburant est pompé et congelé par cryogénie, dit Crippen, que Stadermann a salué comme un « magicien de l'assemblage ».

Deux cibles avec des tubes de remplissage de deux microns ont été assemblées au LLNL pour s'assurer qu'elles survivront au processus. Pendant que l'équipe affine les procédures de fabrication et de manutention, ses membres sont convaincus que le processus peut devenir une routine au cours de la prochaine année.

"Nous savions qu'il y aurait une courbe d'apprentissage, " a déclaré Crippen.