Les chercheurs mettent à jour les rapports de mesure clés pour les expériences de fusion par confinement inertiel

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont affiné la mesure du rapport de ramification gamma (γ) sur neutron dans les réactions de fusion deutérium-tritium (DT).

Cette réaction est un candidat viable pour l’énergie de fusion, car elle est connue pour avoir la plus grande section efficace aux énergies du centre de masse inférieures à 500 keV. Il existe différentes branches de cette réaction. Celles-ci comprennent une branche productrice de neutrons intense et des branches productrices de gamma nettement moins intenses, ces dernières étant cinq ordres de grandeur moins intenses que les premières.

Le rapport de ramification DT γ à neutrons est d’un intérêt fondamental du point de vue de la physique nucléaire et des plasmas et une mesure plus précise peut augmenter les efforts théoriques dans ces domaines. Ce rapport de ramification est également intéressant dans les efforts expérimentaux vers la fusion nucléaire et les applications de sécurité nationale connexes.

Les résultats des travaux sont présentés dans Examen physique C, avec le physicien LLNL Justin Jeet comme auteur principal. Le travail consistait à analyser les données d’une précédente expérience de fusion par confinement inertiel (ICF) menée en 2015, qui n’était pas optimisée pour cette mesure.

« Les premiers stades de la pandémie de COVID-19 nous ont donné du temps libre pour revoir ces données dans le but de fournir une mesure plus précise du rapport de ramification DT γ-neutron », a déclaré Jeet. « Le document augmente les mesures précédentes du rapport de ramification dans les implosions ICF et réduit l’incertitude de la valeur rapportée de près d’un facteur trois. »

Jeet explique que limiter sa valeur est primordial pour les efforts expérimentaux dans les installations de confinement inertiel et de confinement magnétique.

« Pour les réacteurs nucléaires à base de tokamak tels qu’ITER, la détermination du facteur de gain de puissance (Q), défini comme le rapport de la puissance de fusion produite à celle nécessaire pour maintenir le plasma, est essentielle », a déclaré Jeet. « Q peut être déterminé avec précision en mesurant le rendement γ de fusion DT ainsi que la valeur précise du rapport de ramification DT γ à neutrons. Dans les installations de confinement inertiel, le rapport de ramification DT peut également fournir des mesures de rendement absolu basées sur le diagnostic par rayons γ . »

Le rapport de ramification γ-to-neutron du deutérium-tritium est déterminé dans une expérience ICF en utilisant une technique d’étalonnage croisé qui repose sur la section efficace de diffusion inélastique des neutrons dans le carbone 12 (12C), une section efficace plus connue. Parce qu’une implosion ICF est pulsée, avec une production nucléaire se produisant sur ≈100 picosecondes (ps), les rayons γ de fusion DT arrivent d’abord sur un détecteur γ, le détecteur de gaz Cherenkov (GCD). Les neutrons de fusion DT produits peuvent interagir avec une rondelle de carbone, située en amont du GCD, générant des rayons γ basés sur la diffusion inélastique. En raison du temps de transit des neutrons, les γs 12C produits dans la rondelle de carbone arrivent au GCD plus tard dans le temps.

L’intérêt de cette technique est apporté par la séparation temporelle des signaux γ sur le détecteur. Le rapport de ces signaux, qui sont tous deux obtenus dans une implosion ICF monocoup, est utilisé pour déterminer une valeur de rapport de branchement DT de (4,6 ± 0,6) × 10−5. Cette mesure évite le besoin d’étalonnages absolus du détecteur, qui peuvent avoir de grandes erreurs, et repose plutôt sur la section efficace de diffusion inélastique des neutrons dans le 12C et la précision de la mesure du rendement des neutrons de fusion DT. Le premier est déterminé à partir de plusieurs expériences menées dans le passé et le second est mesuré avec une grande précision dans les implosions ICF. Cette méthode se traduit par une mesure du rapport de ramification avec une erreur totale considérablement réduite par rapport aux expériences précédentes d’ICF et d’accélérateur.

Jeet a déclaré que de futures expériences seront menées cet été à l’Omega Laser Facility du Laboratoire d’énergie laser (LLE) de l’Université de Rochester à Rochester, New York. Ces expériences sont conçues pour optimiser cette mesure et améliorer encore la précision du rapport de branchement DT γ sur neutrons. En plus d’effectuer un étalonnage croisé par rapport au 12C, différents matériaux sont étudiés pour réduire davantage les erreurs systématiques résultant de la technique d’étalonnage croisé. Ces expériences viseront également à fournir un étalonnage croisé du rapport de branchement D-3He γ-proton.