À son apogée, une implosion de fusion par confinement inertiel (ICF) NIF dure environ 100 billions de seconde. Le carburant implosé mesure cent millionièmes de mètre de diamètre et jusqu'à huit fois plus dense que le plomb. Le centre de la capsule implosée est quelques fois plus chaud que le noyau du soleil.

Développer une compréhension claire de ce qui se passe exactement dans une implosion NIF dans ces conditions extrêmes est l'un des plus grands défis auxquels les chercheurs sont confrontés alors qu'ils travaillent à réaliser l'allumage par fusion sur le système laser le plus grand et le plus énergétique au monde.

Pour aider à relever ce défi, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et ses laboratoires et universités partenaires ont conçu et construit une suite complète de plus d'une douzaine de diagnostics nucléaires, avec plus en route.

"Ce que vous aimeriez pour diagnostiquer l'implosion, c'est tout savoir sur l'implosion du plasma, " a déclaré Dave Schlossberg, physicien du LLNL.

"La suite de diagnostic nucléaire essaie d'aborder différents paramètres que vous pouvez mesurer indépendamment, " dit-il. " Le système d'imagerie neutronique mesure la distribution spatiale de l'implosion. Les diagnostics du temps de vol des neutrons mesurent l'énergie moyenne et la vitesse de dérive. Et l'histoire de la réaction gamma mesure l'émission par rapport au temps. En rassemblant ces informations, nous reconstituons une meilleure image de ce qui se passe dans l'implosion."

« Certains des diagnostics se "transparent" les uns avec les autres, " a ajouté le physicien Kelly Hahn. " Certains fournissent différents éléments (d'information), certains ont des pièces similaires et nous pouvons les rassembler toutes pour assembler une image plus complète. Si vous voulez obtenir l'allumage, les diagnostics nucléaires sont cruciaux."

Indices de performance

Parmi les facteurs clés qui fournissent des indices sur les performances d'implosion figurent le rendement neutronique, la température des ions (plasma) et le taux de diffusion descendante, c'est-à-dire le rapport entre le nombre de neutrons de haute énergie et de neutrons de basse énergie qui ont été diffusés lors d'interactions avec les isotopes d'hydrogène dans le combustible, une indication de la densité du carburant et de la répartition du carburant froid entourant le point chaud.

Le temps de détonation - le temps d'émission de neutrons de pointe qui caractérise la vitesse de l'implosion - et la largeur de combustion sont également importants. la durée pendant laquelle l'implosion produit des neutrons.

Tous ces paramètres, et d'autres, sont évalués par des diagnostics nucléaires.

"Les diagnostics nucléaires sont fondamentalement les seuls diagnostics qui mesurent vraiment la densité et la température du combustible, " a déclaré Alastair Moore, chef du groupe de diagnostic nucléaire. " Et ils sont tout à fait essentiels pour comprendre à quel point nous avons assemblé le combustible et à quel point nous sommes proches de l'allumage. "

Dans les expériences NIF ICF, jusqu'à 192 faisceaux laser puissants chauffent un « four » cylindrique à rayons X appelé hohlraum. Les rayons X compriment les isotopes de l'hydrogène, deutérium et tritium (DT), partiellement congelé à l'intérieur d'une petite capsule suspendue dans le hohlraum. Si la densité et la température sont suffisamment élevées et durent suffisamment longtemps, le combustible va s'enflammer et générer une réaction thermonucléaire auto-entretenue qui se propage à travers le combustible et libère une grande quantité d'énergie, principalement sous forme de neutrons de haute énergie.

Le processus d'implosion crée des températures et des pressions similaires à celles trouvées à l'intérieur des étoiles, planètes géantes et explosions nucléaires. Le NIF est un élément clé du programme de gestion des stocks de la National Nuclear Security Administration, et des expériences sur le NIF font progresser la recherche scientifique dans le domaine de la science à haute densité d'énergie (HED), y compris l'astrophysique, science des matériaux et CIF.

Inconnus inconnus

Une valeur particulière des diagnostics nucléaires du NIF est leur capacité à aider à répondre à des questions que les chercheurs ne savaient même pas qu'ils possédaient – ​​ce que les scientifiques appellent des « inconnus inconnus ».

Récemment, par exemple, le réseau de quatre détecteurs de temps de vol à neutrons positionnés autour de la chambre cible a révélé que le minuscule point chaud au centre de l'implosion dérivait à une vitesse d'environ 100 kilomètres par seconde - une indication de l'asymétrie de l'implosion, une cause majeure de dégradation des performances.

"Nous avions à l'origine deux spectromètres, " a déclaré le physicien Ed Hartouni, "et l'ajout d'un troisième spectromètre nous a permis de voir le mouvement et de mesurer la vitesse de dérive du point chaud, ce qui n'était pas du tout prévu. En fait, il a fallu un certain temps pour être accepté, cette interprétation de ce que ces détecteurs nous disaient.

"Ils ont révélé quelque chose qui se passait dans l'implosion que nous n'avions pas prévu, que personne n'avait prévu, " dit-il. " Que le point chaud puisse bouger, c'était assez surprenant. "

"Nous avons en fait un cinquième spectromètre en ligne, " a noté Moore, "ce qui nous donnera une capacité encore meilleure à comprendre si le point chaud se déplace parce que nous l'avons conduit de manière asymétrique, ou parce que la capsule est asymétrique, ou le hohlraum est asymétrique. Tous ces modes de défaillance qui peuvent conduire à de mauvaises performances d'implosion peuvent être diagnostiqués directement en ayant plusieurs spectromètres regardant la même implosion."

Et ce n'est pas tout. Dans une collaboration dirigée par l'équipe d'imagerie neutronique du Laboratoire national de Los Alamos (LANL), chercheurs du LANL, Le LLNL et le Laboratoire d'énergétique laser (LLE) de l'Université de Rochester ont récemment ajouté un troisième système d'imagerie neutronique, NIS3, conçu pour fournir une image 3-D montrant la taille et la forme du plasma DT brûlant pendant la phase d'allumage d'une implosion.

La taille du point chaud et l'asymétrie du combustible sont déterminées à partir de l'image du primaire, ou à haute énergie, neutrons, et la densité surfacique du carburant froid, connu sous le nom de rho-R, est déduit du ratio de diffusion descendante. La densité surfacique est un facteur important dans la configuration finale du combustible pour obtenir l'allumage et la combustion par fusion.

« Alors que le NIF évolue vers des performances plus élevées, comprendre la nature tridimensionnelle de ces implosions devient critique, " a déclaré le physicien du LLNL David Fittinghoff. " Avec les deux lignes de visée d'imagerie neutronique précédentes (sur l'équateur et le pôle nord de la chambre cible), nous avons dû faire une hypothèse sur la symétrie de l'implosion.

"Maintenant, avec le nouveau NIS3, nous avons trois lignes de visée orthogonales avec lesquelles reconstruire un volume de plasma en fusion, " at-il dit. " Une analogie pourrait être la différence entre voir une peinture d'un homme et se promener réellement autour de sa sculpture. "

Parallèlement à l'amélioration de l'imagerie neutronique, NIS3 fournit également une ligne de visée pour l'imagerie des rayons gamma produits par la diffusion inélastique des neutrons de fusion du carbone dans le matériau de la capsule cible restant pendant une implosion. Cela pourrait aider les chercheurs à déterminer la quantité et l'effet du mélange du matériau de la capsule avec le combustible de fusion, une source connue de dégradation des performances.

Une autre mise à niveau majeure du diagnostic a été achevée en 2017 avec l'installation d'un réseau de 48 détecteurs à activation neutronique en temps réel, ou RT-NAD, à des emplacements stratégiques autour de la chambre cible.

NAD antérieurs, appelés NAD à bride, fonctionnait lorsque des neutrons non diffusés activaient un échantillon de zirconium. Les échantillons activés ont été retirés de la chambre et le niveau d'activation a été déterminé en utilisant des techniques de comptage nucléaire ailleurs sur le site. L'activation des détecteurs NAD en temps réel est surveillée in situ, fournissant un meilleur échantillonnage de la distribution angulaire du rendement de neutrons non diffusés avec une rotation beaucoup plus rapide et à un coût d'exploitation nettement inférieur.

Le système fournit une détermination en temps quasi réel de la distribution de la fluence des neutrons. Il fonctionne sur deux à trois ordres de grandeur de rendement neutronique, fournissant des estimations de rendement global précises à 2 pour cent ou mieux.

"Le rendement neutronique varie autour de la chambre car vous avez différentes épaisseurs de combustible dans le cœur comprimé de l'explosion, " a expliqué Moore. " Les RT-NAD sont principalement un moyen de dire comment le carburant est distribué autour du point chaud lorsque la capsule explose. "

"Il a deux fois le nombre de détecteurs et cinq fois la sensibilité" du système de bride NADs, le physicien diagnostique réputé Richard Bionta, scientifique responsable du système RT-NADs. « Dans l'ancien système, nous n'avions qu'un seul détecteur. Chacune des 20 rondelles a été placée une à une dans le détecteur, cela a donc pris cinq jours. (Les RT-NAD) sont certainement bien meilleurs que ce que nous avions l'habitude de faire."

"Richard a passé plus de deux ans à développer la capacité de gérer ce flux de données, " a ajouté Moore. " Vous avez 48 détecteurs qui lisent toutes les 10 minutes et produisent des téraoctets de données. Vous essayez d'analyser cela et de reconstituer cette image, de ce qui s'est passé avec le tir."