Si vous poursuivez l'objectif insaisissable de la fusion nucléaire et pensez avoir besoin d'un plus gros réacteur pour faire le travail, vous voudrez peut-être d'abord savoir précisément quelle quantité d'énergie d'entrée sortant de la prise murale parvient au cœur de votre machine.

Si quelque part au cours de ce voyage vous pouviez réduire les pertes internes, vous n'aurez peut-être pas besoin d'une machine aussi grosse que vous le pensiez.

Afin de mieux déterminer les fuites d'énergie sur la puissante machine Z de Sandia, où des gains remarquables dans les sorties de fusion ont eu lieu au cours des deux dernières décennies et demie, y compris un triplement de la production en 2018 - une équipe conjointe des laboratoires nationaux Sandia et Lawrence Livermore a installé un système de diagnostic laser amélioré.

La quête pour comprendre avec précision la quantité de puissance entrant dans la réaction de fusion de Z est devenue plus urgente à mesure que Z se dirige vers la production du grand nombre de neutrons qui ne sont plus qu'un facteur 40 en dessous du jalon où la production d'énergie est égale à l'apport d'énergie, un état souhaitable connu sous le nom de seuil de rentabilité scientifique. Les courants exceptionnellement importants de la machine Z (environ 26 mégaampères) compriment directement le combustible de fusion dans les conditions extrêmes nécessaires pour que les réactions de fusion se produisent.

Les réactions de fusion en laboratoire, c'est-à-dire l'assemblage des noyaux d'atomes, ont des objectifs à la fois civils et militaires. Les données utilisées dans les simulations de superordinateurs offrent des informations sur les armes nucléaires sans essais souterrains, un environnement, plus financier et politique. Plus la réaction est puissante, meilleures sont les données.

Et, à plus long terme, la vision d'atteindre un rendement extraordinairement élevé, source d'énergie stable et relativement propre est l'ambition de nombreux chercheurs dans le domaine de la fusion.

Un peu d'aide de nos lasers

Le système de diagnostic laser que Sandia a développé pour aider à réaliser ces améliorations s'appelait à l'origine VISAR, pour système d'interféromètre de vitesse pour tout réflecteur. VISAR prend des informations sur la puissance disponible recueillies à partir d'une zone de la taille d'une pointe de crayon.

Le nouveau système, dénommée Ligne VISAR, a été développé plus tard chez Lawrence Livermore. Il analyse les informations glanées dans le périmètre plus large mis à disposition par une ligne, au lieu d'un point, la source.

Les deux innovations font rebondir un faisceau laser sur une cible en mouvement au centre de Z. Mais il y a une grande différence entre les deux techniques.

VISAR utilise un câble à fibre pour envoyer une impulsion laser d'un emplacement extérieur stable au centre de la machine. Là, l'impulsion est réfléchie à partir d'un point sur un morceau de métal de la taille d'une pièce de dix cents appelé plaque de dépliant. L'assiette flyer, agissant comme un miroir, renvoie le signal laser le long du câble. Mais parce que la plaque volante est propulsée vers l'avant par l'énorme impulsion électromagnétique de Z sur une distance d'environ un millimètre en quelques centaines de nanosecondes, l'impulsion de retour est légèrement déphasée avec la version d'entrée.

La mesure de la différence de phase entre les deux ondes détermine la vitesse atteinte par la plaque volante au cours de cette période. Cette vitesse, combiné mathématiquement avec la masse de la plaque flyer, est ensuite utilisé pour estimer la quantité d'énergie qui a entraîné la plaque. Parce que la plaque est au cœur de la machine, ce chiffre est presque identique à l'énergie provoquant des réactions de fusion au centre de la machine. Cette observation était l'objectif de VISAR.

Mais la cible ponctuelle ne pouvait pas expliquer les distorsions dans la plaque volante elle-même causées par les énormes pressions créées par le champ électromagnétique entraînant son mouvement.

Essayez l'optique

L'amélioration de l'appareil par Lawrence Livermore, maintenant installé en Z, était d'envoyer un faisceau laser le long d'un chemin de faisceau optique au lieu d'un câble à fibre. Traversant des lentilles et rebondissant sur des miroirs, La ligne VISAR renvoie une image visuelle de l'impulsion frappant toute la plaque du dépliant, plutôt que de renvoyer un seul signal électrique à partir d'un seul point sur la plaque flyer.

Les chercheurs étudient le contraste entre l'image Line VISAR à changement de phase et une image de référence inchangée, puis découpés le long d'une ligne afin qu'un film ultra-rapide avec une quantité de données réduite mais exploitable puisse être enregistré. En analysant le film, qui montre l'expansion et la déformation de la plaque flyer le long de la ligne, les chercheurs découvrent une image plus fidèle de la quantité d'énergie disponible au cœur de la machine.

"Parce que vous avez une résolution spatiale, il vous indique plus précisément où se produit la perte de courant, " a déclaré Clayton Myers, qui est en charge des expérimentations à Z avec la ligne VISAR.

Les techniciens de Sandia et Lawrence Livermore ont modifié la ligne VISAR pour travailler à Z, où tout se passe activement au cœur d'une machine qui secoue les tasses de café dans des bâtiments à plusieurs centaines de mètres lorsqu'elle se déclenche, par rapport au calme relatif des tirs au National Ignition Facility de Lawrence Livermore, où les banques de lasers sont éloignées de la sphère par ailleurs tranquille dans laquelle les tirs ont lieu.

"L'équipe Sandia a été chargée d'intégrer les différents composants de la Ligne VISAR dans l'infrastructure existante de la machine Z, " Myers a dit. " Cela signifiait, entre autres, concevoir un système de transport de faisceau de 50 mètres qui a fourni une zone tampon entre l'instrument et sa cible Z."

Néanmoins, la dernière optique de la ligne VISAR à Z doit être remplacée pour chaque tir car elle fait face à une destruction quasi-instantanée de l'énergie délivrée lors des tirs Z.

Comment fonctionne le nouveau système de détection ? "Merveilleusement, " a déclaré Myers. "Je peux à peine croire la précision des données que nous obtenons."