Une méthode relativement nouvelle pour contrôler la fusion nucléaire qui combine une secousse massive d'électricité avec des champs magnétiques puissants et un puissant faisceau laser a atteint sa propre production record de neutrons - une norme clé par laquelle les efforts de fusion sont jugés - au Z pulsé de Sandia National Laboratories. centrale électrique, le plus puissant producteur de rayons X sur Terre.

La réalisation, d'un projet appelé MagLIF, pour la fusion inertielle du liner aimanté, a été rapporté dans un article publié le 9 octobre dans la revue Lettres d'examen physique .

"La production de neutrons au cours des deux dernières années a augmenté de plus d'un ordre de grandeur, " a déclaré le physicien et chercheur principal de Sandia Matt Gomez. " Nous ne sommes pas seulement ravis que les améliorations que nous avons mises en œuvre aient conduit à cette augmentation mais que l'augmentation a été prédite avec précision par la théorie."

La production de neutrons MagLIF a augmenté de 10 au 13 en utilisant du combustible deutérium (10 au 15 représenteraient l'augmentation de la production cent fois généralement acceptée par les scientifiques, s'il s'agit d'un mélange égal de deutérium et de tritium, DT, avait été utilisé) et la température moyenne des ions a doublé. Ceci a été réalisé grâce à une augmentation simultanée de 50 pour cent du champ magnétique appliqué, un triplement de l'énergie laser et une augmentation de la puissance absorbée de Z de 16 à 20 méga-ampères, dit Gomez.

"La sortie n'était que de 2 kilojoules DT, une quantité d'énergie relativement faible, " dit-il. Un kilojoule est défini comme l'énergie thermique dissipée par un courant de 1, 000 ampères traversant une résistance de 1 ohm pendant une seconde. "Mais sur la base des expériences que nous avons faites jusqu'à présent, qui montrent une amélioration d'un facteur 30 en cinq ans et des simulations cohérentes avec ces expérimentations, nous pensons qu'un rendement de 30 à 50 kilojoules est possible, nous rapprochant de l'état connu sous le nom de seuil de rentabilité scientifique."

L'augmentation de la production, prédit à partir des changements d'entrée, indique qu'une proposition de construire une machine encore plus grande que Z et mieux équipée pour dépasser le seuil de rentabilité, dispose désormais d'une base plus solide pour faire cette demande, dit Gomez.

« Les résultats de MagLIF ont suscité un énorme intérêt pour la recherche sur la fusion qui, en combinant le magnétisme, lasers et énergie électrique - couvre les états du plasma entre la fusion traditionnelle par confinement inertiel, comme les lasers du National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Lab, et la fusion à confinement magnétique classique comme le projet international ITER dans le sud de la France, " dit Dan Sinars, directeur du Pulsed Power Sciences Center de Sandia. « Le succès de MagLIF a conduit à de nouveaux programmes et plusieurs start-up de fusion, et a contribué à susciter l'intérêt pour cette approche plus large. »

Étant donné que les conditions de performance et de plasma variaient de manière prévisible avec les changements des paramètres d'entrée, Le directeur des expériences de fusion de Sandia, David Ampleford, a déclaré :"Nous avons une confiance supplémentaire que nous pouvons adapter MagLIF à des courants plus élevés."

Le seuil de rentabilité est l'objectif intermédiaire

Le seuil de rentabilité se produit lorsque la quantité d'énergie investie dans le carburant est égale à la quantité d'énergie qu'il émet, une réalisation marquante pour ceux qui sont sur le terrain. Lorsque plus d'énergie est émise qu'il n'en faut pour maintenir l'expérience - une condition connue sous le nom de « rendement élevé » - le rêve du monde d'une énergie propre à partir de l'eau de mer, le matériel le plus accessible sur Terre, fera un pas de géant.

L'eau de mer contient une variante de l'hydrogène appelée deutérium, qui contient un neutron supplémentaire, et tritium, qui a deux neutrons supplémentaires. Ces neutrons supplémentaires sont fusibles, ce qui signifie qu'ils libèrent de l'énergie de fusion lorsqu'ils peuvent se combiner. Deutérium, plus facile à travailler, est le matériau de choix actuel dans presque toutes les expériences de fusion à Z, avec la présence plus énergétique du tritium parfois simulée.

Avant même d'atteindre le seuil de rentabilité, le travail est utile :les données provenant de réactions de fusion de plus en plus puissantes introduites dans les superordinateurs informent le travail de gestion des stocks de Sandia qui garantit la sécurité des armes nucléaires du pays, sécurisé et fiable.

L'histoire de MagLIF commence par une théorie

La théorie derrière la méthode de fusion MagLIF de Sandia a été créée il y a dix ans à Sandia par une équipe dirigée par le physicien théoricien Steve Slutz. La méthode combine une impulsion électrique massive de Z avec une rafale laser qui préchauffe une cible de deutérium de la taille d'une gomme à crayon parfois glacée, le rapprochant d'une température de départ appropriée à partir de laquelle monter à la fusion. La méthode utilise ensuite un champ magnétique pour maintenir les particules chargées dans la zone opérationnelle cylindrique afin qu'elles fusionnent en plus grand nombre. Puis, toujours informé par la théorie, est venu une vague d'améliorations, plus récemment dirigé par l'équipe Sandia de Gomez.

L'équipe a réduit l'épaisseur d'une fenêtre en plastique transparent qui retenait le gaz de fusion à température ambiante mais a également partiellement masqué un orifice d'entrée pour le faisceau laser.

Initialement, l'équipe a choisi prudemment une fenêtre très épaisse pour s'assurer qu'elle n'éclaterait pas avant l'expérience et n'endommagerait pas la cible, dit Gomez. Ensuite, l'équipe a rigoureusement testé des matériaux de fenêtre dans une variété d'épaisseurs pour identifier la pression à laquelle chacun tomberait en panne.

"Nous avons déterminé que nous pouvions à peu près réduire de moitié l'épaisseur tout en contenant solidement le combustible de fusion, ", a déclaré Gomez.

La petite fenêtre qui a disparu

Le carburant préservé, les chercheurs se sont tournés vers des simulations informatiques qui ont montré à quel point on pouvait s'attendre à une amélioration du couplage énergétique du faisceau laser avec la cible, étant donné que l'épaisseur de la fenêtre avait été réduite.

"Le laser ne passe pas à travers la fenêtre comme on pourrait le penser traditionnellement, " a déclaré Gomez. " Le laser est si intense qu'il ionise réellement la fenêtre, le convertir en plasma, le chauffer jusqu'à ce qu'il devienne plus ou moins transparent au laser. Le processus de chauffage de la fenêtre à ces températures extrêmes représente une fraction décente de l'énergie laser perdue. Nous avons enlevé environ la moitié de la masse du matériau de la fenêtre, donc nous n'avons pas besoin de chauffer autant, donc on perd moins d'énergie.

"Nos simulations ont ensuite été confirmées par des expériences, ", a déclaré Gomez.

Sandia a également augmenté la puissance des champs magnétiques qui empêchaient les particules chargées de quitter le terrain de jeu, ce qui rend plus probable qu'ils restent pour interagir et fusionner.

Un autre problème surmonté était de savoir comment augmenter la force de deux bobines magnétiques tout en maintenant une fenêtre entre elles pour l'accès au diagnostic, dit Gomez. "Précédemment, nous devions choisir entre un champ magnétique plus grand sans accès au diagnostic, que nous étions même réticents à essayer, et un champ magnétique plus petit avec accès au diagnostic, " a déclaré Gomez. " Nous avons maintenant le plus grand champ et l'accès au diagnostic, ce que nous avons obtenu grâce au renforcement interne des bobines."

La stabilité des réactions reste un problème à mesure que les forces de fonctionnement puissantes augmentent. L'implosion fusionnelle, secoué par un apport accru, peut tourner au néant. Mais les simulations montrent qu'une pression plus élevée dans la zone de carburant devrait agir pour se stabiliser contre l'augmentation des forces entrantes.

"Le seuil de rentabilité est encore à deux ordres de grandeur, mais les simulations qui capturent nos tendances expérimentales indiquent qu'un autre ordre de grandeur d'augmentation du rendement est possible avec des augmentations supplémentaires des paramètres d'entrée, ", a déclaré Gomez.

Il mentionne plus de carburant, des rafales laser plus puissantes, les champs magnétiques et les impulsions électriques en tant que facteurs contributifs contrôlables conduisant à des sorties plus élevées qu'il considère inévitables.