Les dispositifs de fusion par confinement magnétique sont des technologies permettant d’obtenir des réactions de fusion nucléaire contrôlées, en utilisant des champs magnétiques pour confiner les plasmas chauds. Ces dispositifs pourraient contribuer à la transition en cours vers des méthodes de production d’énergie plus durables.
Le fonctionnement optimal de ces dispositifs repose sur la capacité à mesurer avec précision la puissance de fusion. Les dispositifs existants y parviennent uniquement grâce au comptage absolu des neutrons, une technique permettant de mesurer le nombre total de neutrons produits lors d’une décharge de plasma, ce qui permet de recueillir des informations sur la vitesse et le rendement des réactions.
Des chercheurs du Conseil national des riches (CNR-ISTP), de l’Université de Milan-Bicocca et d’autres instituts du monde entier, sous la coordination du Dr Marco Tardocchi, ont récemment identifié une mesure supplémentaire qui pourrait offrir des informations précieuses sur l’énergie de fusion.
Cette mesure, décrite dans un papier publié dans Lettres d’examen physiqueest le rapport de ramification des rayons gamma sur les neutrons dans la réaction deutérium-tritium.
« Notre projet a débuté avec ITER, le réacteur thermonucléaire expérimental international de nouvelle génération, qui vise à démontrer la faisabilité de la production d’énergie électrique à partir de la fusion nucléaire », a déclaré à Phys.org Andrea Dal Molin, premier auteur de l’article.
« L’un des principaux défis techniques d’ITER est que la puissance de fusion est mesurée à l’aide de deux méthodes indépendantes. La première, le comptage absolu des neutrons, est une technique bien établie, déjà adoptée dans les expériences de fusion actuelles comme le Joint European Torus (JET). La seconde méthode n’a pas encore été identifiée. »
Dal Molin et ses collègues ont entrepris d’explorer la possibilité d’utiliser les rares rayons gamma émis lors de la réaction deutérium-tritium pour mesurer l’énergie de fusion. La méthode qu’ils proposent pour recueillir cette mesure consiste à compter les deux rayons gamma émis par le canal électromagnétique de la réaction de fusion nucléaire deutérium-tritium, dans laquelle un noyau 5He produit dans un état excité se désintègre dans des niveaux inférieurs.
« Ce canal de réaction est beaucoup moins probable (2,4 x 10-5) que le canal de réaction nucléaire produisant un neutron et une particule alpha », explique Davide Rigamonti, co-auteur de l’article. « Cela se traduit par un flux de neutrons important qui est une source de bruit de fond indésirable pour les mesures de rayons gamma. L’utilisation d’un atténuateur de neutrons efficace était l’une des principales exigences qui ont permis cette mesure. »
Dal Molin, Rigamonti et leurs collègues ont déployé des efforts considérables pour tenter d’identifier avec précision les énergies et les intensités relatives des deux rayons gamma émis, jusqu’alors inconnues. Ils ont ensuite utilisé la mesure absolue du nombre de neutrons produits par le dispositif de confinement magnétique JET pour déterminer le rapport de ramification rayons gamma/neutrons.
« La détermination précise du rapport de ramification des rayons gamma sur les neutrons pour la réaction deutérium-tritium ouvre la voie à l’utilisation du comptage absolu des rayons gamma comme technique secondaire et indépendante des neutrons pour mesurer la puissance de fusion dans les expériences de fusion de nouvelle génération », a déclaré Dal Molin. « Notre travail fournit ainsi un outil essentiel pour valider directement les résultats et améliorer la précision des mesures. »
Cette étude récente de Dal Molin, Rigamonti et leurs collègues ouvre des perspectives intéressantes pour la mesure précise de la puissance de fusion lors de futures expériences de fusion nucléaire. Notamment, la méthode utilisée par cette équipe pour mesurer le rapport de ramification rayons gamma/neutrons pourrait également être adaptée et appliquée à d’autres réactions de fusion qui ne produisent pas de neutrons, telles que les réactions proton-bore ou deutérium-hélium-3.
« La recherche sur l’énergie de fusion connaît actuellement un regain d’intérêt important de la part des secteurs public et privé », a ajouté M. Rigamonti. « De nouveaux tokamaks capables de fonctionner avec un mélange deutérium-tritium, comme ITER, sont en cours de développement. Notre projet est de fournir les mesures de l’énergie de fusion sur les prochains réacteurs à confinement magnétique en utilisant la méthode des rayons gamma. »
Plus d’informations :
A. Dal Molin et al., Mesure du rapport de ramification des rayons gamma sur les neutrons pour la réaction deutérium-tritium dans les plasmas de fusion à confinement magnétique, Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.133.055102.
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