De nouvelles recherches de l'Université de Rochester amélioreront la précision des modèles informatiques utilisés dans les simulations d'implosion par laser. La recherche, publié dans la revue Physique de la nature , aborde l'un des défis de la quête de longue date des scientifiques pour réaliser la fusion.

Dans des expériences de fusion par confinement inertiel (ICF) par laser, comme les expériences menées au Laboratoire d'énergétique laser (LLE) de l'Université de Rochester, des faisceaux courts constitués d'impulsions lumineuses intenses - des impulsions d'une durée de quelques milliardièmes de seconde - fournissent de l'énergie pour chauffer et comprimer une cible de piles à combustible à hydrogène. Idéalement, ce processus libérerait plus d'énergie que ce qui a été utilisé pour chauffer le système.

Les expériences ICF pilotées par laser nécessitent que de nombreux faisceaux laser se propagent à travers un plasma - une soupe chaude d'électrons et d'ions en mouvement libre - pour déposer leur énergie de rayonnement précisément sur la cible prévue. Mais, comme les poutres le font, ils interagissent avec le plasma d'une manière qui peut compliquer le résultat escompté.

« ICF génère nécessairement des environnements dans lesquels de nombreux faisceaux laser se chevauchent dans un plasma chaud entourant la cible, et il est reconnu depuis de nombreuses années que les faisceaux laser peuvent interagir et échanger de l'énergie, " dit David Turnbull, un scientifique du LLE et le premier auteur de l'article.

Pour modéliser avec précision cette interaction, les scientifiques doivent savoir exactement comment l'énergie du faisceau laser interagit avec le plasma. Alors que les chercheurs ont proposé des théories sur la façon dont les faisceaux laser modifient un plasma, aucun n'a jamais été démontré expérimentalement.

Maintenant, chercheurs du LLE, avec leurs collègues du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie et du Centre National de la Recherche Scientifique en France, ont directement démontré pour la première fois comment les faisceaux laser modifient les conditions du plasma sous-jacent, affectant à son tour le transfert d'énergie dans les expériences de fusion.

« Les résultats sont une belle démonstration de l'innovation au Laboratoire et de l'importance de construire une solide compréhension des instabilités laser-plasma pour le programme national de fusion, " dit Michael Campbell, le directeur du LLE.

UTILISER DES SUPERORDINATEURS POUR MODÉLISER LA FUSION

Les chercheurs utilisent souvent des superordinateurs pour étudier les implosions impliquées dans les expériences de fusion. C'est important, donc, que ces modèles informatiques décrivent avec précision les processus physiques impliqués, y compris l'échange d'énergie des faisceaux laser vers le plasma et éventuellement vers la cible.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques décrivant l'interaction mutuelle du faisceau laser impliquée dans les expériences de fusion laser. Cependant, les modèles ont généralement supposé que l'énergie des faisceaux laser interagit dans un type d'équilibre connu sous le nom de distribution maxwellienne - un équilibre auquel on s'attendrait dans l'échange lorsqu'aucun laser n'est présent.

"Mais, bien sûr, les lasers sont présents, " dit Dustin Froula, scientifique senior au LLE.

Froula note que les scientifiques ont prédit il y a près de 40 ans que les lasers modifient les conditions sous-jacentes du plasma de manière importante. En 1980, une théorie a été présentée qui prédisait ces fonctions de distribution non maxwelliennes dans les plasmas laser en raison du chauffage préférentiel des électrons lents par les faisceaux laser. Dans les années suivantes, Bedros Afeyan '89 (Ph.D.), diplômé de Rochester, a prédit que l'effet de ces fonctions de distribution d'électrons non maxwelliennes modifierait la façon dont l'énergie laser est transférée entre les faisceaux.

Mais faute de preuves expérimentales pour vérifier cette prédiction, les chercheurs n'en ont pas tenu compte dans leurs simulations.

Turnbull, Froula, et l'étudiant diplômé en physique et astronomie Avram Milder a mené des expériences à l'installation laser Omega au LLE pour effectuer des mesures très détaillées des plasmas chauffés au laser. Les résultats de ces expériences montrent pour la première fois que la distribution des énergies des électrons dans un plasma est affectée par leur interaction avec le rayonnement laser et ne peut plus être décrite avec précision par les modèles dominants.

La nouvelle recherche valide non seulement une théorie de longue date, mais il montre aussi que l'interaction laser-plasma modifie fortement le transfert d'énergie.

« De nouveaux modèles en ligne qui tiennent mieux compte des conditions sous-jacentes du plasma sont actuellement en cours de développement, qui devrait améliorer la capacité prédictive des simulations intégrées d'implosion, ", dit Turnbull.