Des scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département américain de l’énergie (DOE) ont découvert de nouveaux détails critiques sur les installations de fusion qui utilisent des lasers pour comprimer le combustible qui produit l’énergie de fusion. Les nouvelles données pourraient contribuer à améliorer la conception des futures installations laser qui exploitent le processus de fusion qui entraîne le soleil et les étoiles.
La fusion combine des éléments légers sous forme de plasma – l’état chaud et chargé de la matière composée d’électrons libres et de noyaux atomiques – qui génère d’énormes quantités d’énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable en énergie pour produire de l’électricité.
Les principales installations expérimentales comprennent les tokamaks, les dispositifs de fusion magnétique étudiés par PPPL ; les stellarators, les machines à fusion magnétique que PPPL étudie également et qui se sont récemment généralisées dans le monde entier ; et les dispositifs laser utilisés dans ce qu’on appelle les expériences de confinement inertiel.
Les chercheurs ont exploré l’impact de l’ajout de métal de tungstène, qui est utilisé pour fabriquer des outils de coupe et des filaments de lampe, à la couche externe des pastilles de combustible plasma dans la recherche sur le confinement inertiel. Ils ont découvert que le tungstène augmentait les performances des implosions qui provoquent des réactions de fusion dans les pastilles. Le tungstène aide à bloquer la chaleur qui augmenterait prématurément la température au centre de la pastille.
L’équipe de recherche a confirmé les résultats en effectuant des mesures à l’aide de gaz krypton, parfois utilisé dans les lampes fluorescentes. Une fois ajouté au carburant, le gaz émettait une lumière à haute énergie connue sous le nom de rayons X qui était capturée par un instrument appelé spectromètre à rayons X à haute résolution. Les rayons X ont donné des indices sur ce qui se passait à l’intérieur de la capsule.
« J’étais ravi de voir que nous pouvions effectuer ces mesures sans précédent en utilisant la technique que nous avons développée ces dernières années. Ces informations nous aident à évaluer l’implosion de la pastille et aident les chercheurs à calibrer leurs simulations informatiques », a déclaré le physicien PPPL Lan Gao, auteur principal. de l’article rapportant les résultats dans Lettres d’examen physique. « De meilleures simulations et une compréhension théorique en général peuvent aider les chercheurs à concevoir de meilleures expériences futures. »
Les scientifiques ont réalisé les expériences au National Ignition Facility (NIF), une installation utilisateur du DOE au Lawrence Livermore National Laboratory. L’installation fait briller 192 lasers sur un cylindre en or, ou hohlraum, qui mesure un centimètre de haut et renferme le carburant. Les faisceaux laser chauffent le hohlraum, qui émet des rayons X uniformément sur la pastille de combustible à l’intérieur.
« C’est comme un bain à rayons X », a déclaré le physicien PPPL Brian Kraus, qui a contribué à la recherche. « C’est pourquoi il est bon d’utiliser un hohlraum. Vous pouvez faire briller des lasers directement sur la pastille de combustible, mais il est difficile d’obtenir une couverture uniforme. »
Les chercheurs veulent comprendre comment le pellet est comprimé afin de pouvoir concevoir de futures installations pour rendre le chauffage plus efficace. Mais obtenir des informations sur l’intérieur de la pastille est difficile. « Comme le matériau est très dense, presque rien ne peut en sortir », a déclaré Kraus. « Nous voulons mesurer l’intérieur, mais il est difficile de trouver quelque chose qui puisse traverser l’enveloppe de la pastille de combustible. »
« Les résultats présentés dans l’article de Lan sont d’une grande importance pour la fusion inertielle et ont fourni une nouvelle méthode de caractérisation des plasmas brûlants », a déclaré Phil Efthimion, chef du département Plasma Science & Technology au PPPL et responsable de la collaboration avec le NIF.
Les chercheurs ont utilisé un spectromètre à rayons X haute résolution conçu par PPPL pour collecter et mesurer les rayons X rayonnés avec plus de détails que ce qui avait été mesuré auparavant. En analysant l’évolution des rayons X tous les 25 000 milliards de secondes, l’équipe a pu suivre l’évolution du plasma au fil du temps.
« Sur la base de ces informations, nous avons pu estimer la taille et la densité du noyau de la pastille plus précisément qu’auparavant, ce qui nous a aidés à déterminer l’efficacité du processus de fusion », a déclaré Gao. « Nous avons fourni des preuves directes que l’ajout de tungstène augmente à la fois la densité et la température et donc la pression dans la pastille comprimée. En conséquence, le rendement de fusion augmente. »
« Nous sommes impatients de collaborer avec des équipes théoriques, informatiques et expérimentales pour approfondir cette recherche », a-t-elle déclaré.
Lan Gao et al, Évolution du point chaud mesurée par spectroscopie à rayons X à haute résolution au National Ignition Facility, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.185002