des études confirment que le NIF a bien atteint le seuil d’ignition

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Il ya un an presque jour pour jour, les chercheurs du National Ignition Facility ont franchi une étape historique dans le domaine de la fusion nucléaire : ils ont atteint le seuil d’ignition (ou seuil de « l’allumage »), soit le point where the fusion reaction is sufficiently energetic to be self-maintained. Pendant un an, ils ont examiné les conditions expérimentales qui leur ont permis d’obtenir ce résultat. Their analyzes show that the NIF a bel et bien atteint le célèbre de Lawson criterion.

The National Ignition Facility (NIF) uses 192 laser beams of great power (delivering up to 1.9 megajoules) to heat and compress a small capsule containing a mixture of deuterium and tritium and induce nuclear fusion reactions. This approach is known under the nom de fusion par confinement inertiel (à distingue de la fusion par confinement magnétique, mise en œuvre dans les tokamaks). Le 8 août 2021, l’expérience a libéré une énergie record de 1.3 megajoule — soit l’équivalent de 10 quadrillions de puissance pendant 100 billionièmes de seconde — plaçant les chercheurs au seuil de l’allumage par fusion.

« Le record a été une avancecie scientifique majeure dans la recherche sur la fusion, qui estabilit que l’allumage par fusion en laboratoire est possible au NIF », declared Omar Hurricane, scientifique en chef du program de fusion par confinement inertiel du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). The team never managed to repeat this exploit. One year after this historic achievement, the results of the experiment are detailed in three scientific articles published in the review Physical Review Letters etc Physical Review E.

Le criterio de Lawson rempli pour la première fois

Les articles décrivent la conception, les améliorations apprôtées à l’installation, puis les mesures expérimentales obtenues. It all started at the beginning of 2021, when the NIF team showed that the installation could produce a burning plasma — a hot and ionized gas in which the fusion reactions themselves are the main source of heating combustible (et non plus les impulsions laser). But the laser devait encore fournir de l’energie pour maintenir la reaction de fusion.

Representation artistique des faisceaux laser du NIF penétrant dans le hohlraum contenant la target. © NIF

Or, pour que la fusion nucléaire puisse être un jour utilisateur comme source d’énergie, la reaction doit être autoentretenue. The issue is therefore to maintain the plasma at temperatures above 100 million degrees long enough for the production rate of energy by fusion to exceed the rate of energy loss in the environment (by thermal conduction and radiation ).

To achieve this condition, the reaction must produce local energy plus energy that is not lost: the excess energy can be used to drive other parts of the combustible gas until it initiates another fusion reaction, and so on suite. What was achieved was first described in 1966 by the physicist John Lawson. The “criteria de Lawson” stipulates that the ignition a lieu lorsque le produit de la densità du plasma et le temps de confinement est supérieur à un certain threshold.

(a) Vue en coupe de la target, qui comprend un hohlraum d’uranium appauvri doublé d’or (de ~1 cm de hauteur), entourant la capsule d’un diamètre de ~2 mm. Les faisceaux laser entrent dans la target par les ouvertures supérieure et inférieure. (b) Power laser total (in blue) as a function of temps and temperature of radiation of the hohlraum simulé pour l’expérience du 8 août 2021. Les données d’imagerie (c) are used to reconstruct the volume of the hot point, necessary for deduire la pressure et d’autres propriétés du plasma. © LLNL

Pour tenter de remplir ce criterium, les chercheurs ont brought plusieurs améliorations à leur expérience, y compris à la conception physical et à la qualité de la target. Ils ont notably
réduit le tube qui remplit la capsule d’hydrogen, ainsi que la taille des trous d’entrée du laser du hohlraum qui contient la capsule — ce qui a necessitate moins d’énergie pour la chauffer dans la phase initiale — improved la géométrie de la capsule and improved stability of 192 laser beams.

Un régime experimental particulier sensible

L’analysis des données expérimentales prouve que le criterion de Lawson (et donc le seuil d’ignition) a bien été atteint le 8 août 2021, ce qui est de bon augure pour les recherches et le développement de la fusion nucléaire. Mais malgré de nombreuses tentatives, l’équipe n’a pas encore réussi à obtenir les mêmes performances. Annie Kritcher, physicienne du LLNL et première authore de l’article décrivant la conception de l’expérience, underlines que de nombreuses variables entrent en jeu et que chacune d’elle peut influer sur l’issue de l’expérience.

« The 192 laser beams do not behave exactly the same way as each other, the quality of the targets varies and the layer of ice develops with a different roughness on each target », explain-t-elle. D’infimes variations au niveau de la structure matériel des capsules de combustible ou dans l’intensité des lasers peuvent suffire à impacter le rendement énergétique final.

Les expériences réalisées depuis un an ont tout de même fourni des returns de l’ordre de l’ordre de 430 à 700 kJ, note l’équipe. The data collected will allow the project team to better understand the fundamental processes of ignition and the variability inherent in this new experimental regime particularly sensible. « Nous opérons dans un régime auquel aucun chercheur n’a eu accès depuis la fin des essais nucléaires, et c’est une opportunité incroyable d’élargir nos connaissances alors que nous continuons à progresser », with the enthusiasm of Omar Hurricane.

Ils poignant dès lors amelioreur encore leur installation pour reproduire le rendement record obtenu l’an dernier et surtout, rendre l’expérience plus résistante aux petites erreurs afin quelle soit plus aisément reproducible. L’objectif ultime sera ensuite de produire au moins autant d’énergie que la quantité fournie par les lasers (le return de l’expérience du 8 août 2021 était d’environ 72%). C’est la condition sine qua non pour que les centrales à fusion nucléaire deviennent un jour une réalité.

Source: H. Abu-Shawareb et al., Physical Review Letters

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