Une équipe internationale de scientifiques a découvert une nouvelle méthode pour faire progresser le développement de l'énergie de fusion grâce à une meilleure compréhension des propriétés de la matière dense chaude, un état extrême de la matière similaire à celui que l'on trouve au cœur des planètes géantes comme Jupiter.

Les découvertes, dirigées par Sophia Malko du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l'énergie (DOE), détaillent une nouvelle technique pour mesurer le "pouvoir d'arrêt" des particules nucléaires dans le plasma à l'aide de lasers ultra-intenses à taux de répétition élevé. La compréhension du pouvoir d'arrêt des protons est particulièrement importante pour la fusion par confinement inertiel (ICF).

Alimenter le soleil et les étoiles

Ce processus contraste avec la création de la fusion au PPPL, qui chauffe le plasma à des températures d'un million de degrés dans des installations de confinement magnétique. Le plasma, l'état chaud et chargé de la matière composée d'électrons libres et de noyaux atomiques, ou ions, alimente les réactions de fusion dans les deux types de recherche, qui visent à reproduire sur Terre la fusion qui alimente le soleil et les étoiles en tant que source d'énergie sûre et propre. et une énergie pratiquement illimitée pour générer l'électricité mondiale.

Le "pouvoir d'arrêt" est une force agissant sur des particules chargées en raison de collisions avec des électrons dans la matière qui entraînent une perte d'énergie. "Par exemple, si vous ne connaissez pas le pouvoir d'arrêt des protons, vous ne pouvez pas calculer la quantité d'énergie déposée dans le plasma et donc concevoir des lasers avec le bon niveau d'énergie pour créer un allumage par fusion", a déclaré Malko, auteur principal d'un article qui décrit les découvertes dans Nature Communications . "Les descriptions théoriques du pouvoir d'arrêt dans la matière à haute densité d'énergie et en particulier dans la matière dense chaude sont difficiles, et les mesures manquent largement", a-t-elle déclaré. "Notre article compare les données expérimentales de la perte d'énergie des protons dans la matière dense chaude avec des modèles théoriques de puissance d'arrêt."

Les Communications Nature la recherche a étudié le pouvoir d'arrêt des protons dans un régime largement inexploré en utilisant des faisceaux d'ions à faible énergie et des plasmas denses chauds produits par laser. Pour produire les ions à faible énergie, les chercheurs ont utilisé un dispositif spécial à base d'aimant qui sélectionne le système à énergie fixe à faible énergie à partir d'un large spectre de protons généré par l'interaction des lasers et du plasma. Le faisceau sélectionné traverse ensuite une matière dense chaude pilotée par laser et sa perte d'énergie est mesurée. La comparaison théorique avec les données expérimentales a montré que la correspondance la plus proche était en net désaccord avec les modèles classiques.

Au lieu de cela, l'accord le plus proche est venu des simulations de premier principe récemment développées basées sur une approche de mécanique quantique à plusieurs corps ou en interaction, a déclaré Malko.

Mesures d'arrêt précises

Des mesures d'arrêt précises peuvent également faire progresser la compréhension de la façon dont les protons produisent ce que l'on appelle l'allumage rapide, un schéma avancé de fusion par confinement inertiel. "Dans l'allumage rapide piloté par les protons, où les protons doivent chauffer le carburant comprimé d'un état de très basse température à une température élevée, le pouvoir d'arrêt du proton et l'état du matériau sont étroitement liés", a déclaré Malko.

"Le pouvoir d'arrêt dépend de la densité et de la température de l'état du matériau", a-t-elle expliqué, et les deux sont à leur tour affectés par l'énergie déposée par le faisceau de protons. "Ainsi, les incertitudes sur la puissance d'arrêt entraînent directement des incertitudes sur l'énergie totale des protons et l'énergie laser nécessaires à l'allumage", a-t-elle déclaré.

Malko et son équipe effectuent de nouvelles expériences dans les installations DOE LaserNetUS de la Colorado State University pour étendre leurs mesures à la région dite du pic de Bragg, où la perte d'énergie maximale se produit et où les prévisions théoriques sont les plus incertaines.

Les coauteurs de cet article comprenaient 27 chercheurs des États-Unis, d'Espagne, de France, d'Allemagne, du Canada et d'Italie. + Explorer plus loin

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