Nous sommes proches de l’allumage par fusion en laboratoire – comme on le voit dans les étoiles et les armes thermonucléaires • –

Les physiciens nucléaires du gouvernement américain disent qu’ils se rapprochent de l’allumage de la fusion – le point auquel une réaction de fusion devient auto-entretenue – en laboratoire en comprimant la matière avec des lasers.

On nous dit qu’ils ont pu produire plus de 1,3 mégajoule d’énergie en 89 picosecondes – soit 89 billions de seconde – au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory au début du mois. Cette libération d’énergie équivaut à 15 pétawatts, 311 grammes d’explosion de TNT, ou l’équivalent en énergie chimique d’un gros tas de batteries.

“Une batterie de neuf volts stocke environ 15 kilojoules d’énergie, donc le contenu énergétique est à peu près équivalent à 80 batteries de neuf volts d’énergie chimique”, a déclaré Omar Hurricane, scientifique en chef du programme Inertial Confinement Fusion à LLNL. Le registre, mettant le 1.3MJ en perspective.

Surtout, ce chiffre représente environ 70 % de l’énergie injectée dans l’expérience, qui impliquait d’écraser une infime quantité de combustible de fusion jusqu’à ce que ses atomes fusionnent, libérant de l’énergie. Il s’agit d’une étape importante, ont déclaré les scientifiques, car cela les place au seuil de l’allumage de la fusion, qui est le point où une réaction de fusion devient auto-entretenue : l’énergie libérée maintient la réaction, produisant continuellement de l’énergie jusqu’à ce que le carburant s’épuise. , comme on le voit à l’intérieur des étoiles au fil des éons. Les humains peuvent potentiellement exploiter cette énergie à diverses fins.

“L’allumage est un point de basculement dans le processus de fusion où la fusion se réchauffe et submerge toutes les pertes de refroidissement qui peuvent se produire”, a déclaré Hurricane. “Une fois que cela se produit, un processus de rétroaction est généré où le chauffage crée plus de fusion, ce qui crée plus de chauffage, ce qui crée plus de fusion, et ainsi de suite.”

Dans l’expérience, 192 faisceaux laser ont été concentrés sur un vaisseau pour produire des rayons X qui comprimaient une pastille de combustible de fusion à l’intérieur de ce conteneur, déclenchant une réaction de fusion qui libérait de l’énergie à partir d’un point chaud du diamètre d’un cheveu humain.

Une illustration de la capsule de combustible de fusion tenue à l’intérieur d’un hohlraum dans l’expérience NIF. La lumière laser tirée sur la chambre est convertie en rayons X qui compriment la pastille pour démarrer une réaction de fusion … Source : Revue scientifique et technologique du Laboratoire national Lawrence Livermore [PDF]

“La lumière laser ne touche jamais la pastille de combustible”, a déclaré Hurricane. “La lumière laser frappe un récipient métallique qui convertit la lumière laser en rayons X. Les rayons X frappent la pastille, qui est faite de carbone à haute densité.

“La surface de la pastille explose, générant des pressions d’environ 200 millions d’atmosphères, qui poussent la pastille vers l’intérieur sur elle-même – une implosion. Le combustible de fusion à l’intérieur de la pastille est finalement amené à des pressions de plusieurs centaines de milliards d’atmosphères, dépassant les pressions à la centre du Soleil pendant un instant fugace. Les réactions de fusion ultérieures sont suffisamment vigoureuses pour que l’énergie de fusion libérée dépasse d’environ 5 fois l’énergie absorbée par la pastille.

Le combustible de fusion à l’intérieur de la pastille est finalement amené à des pressions de plusieurs centaines de milliards d’atmosphères, dépassant les pressions au centre du Soleil pendant un instant fugace.

Il convient de souligner qu’il s’agit d’une expérience scientifique visant à étudier la compression du combustible de fusion et à obtenir une réaction de fusion quasi-auto-entretenue, plutôt qu’une démonstration pratique de la production d’énergie nucléaire. Après tout, beaucoup d’électricité a été utilisée pour tirer les lasers.

“Il y a une énorme perte d’énergie en allant de l’électricité que nous tirons au laser, puis une autre perte d’énergie en allant du laser à la cible, puis une autre perte d’énergie en allant de la cible à la capsule enfouie à l’intérieur de la cible, puis une autre énergie perte à mesure que l’énergie absorbée par la capsule est transférée au combustible de fusion à l’intérieur », a déclaré Hurricane.

“L’essentiel est que très peu d’énergie arrive dans le combustible de fusion par rapport à l’électricité que nous utilisions pour charger le laser. Cependant, l’énergie de fusion générée était environ cinq fois l’énergie absorbée par la capsule, et environ 70 pour cent de l’énergie laser tirée sur la cible – ce sont les aspects significatifs.”

Bien que ce travail puisse conduire à des développements dans la production d’électricité par fusion, l’étude des étoiles et du cosmos, et ainsi de suite, un objectif clé du NIF est la recherche sur la conception et la maintenance d’armes thermonucléaires.

Bien que ces dispositifs complexes et miniaturisés puissent être simulés à l’aide de superordinateurs, les résultats doivent être vérifiés, et cela se fait par des expériences comme celle-ci. L’Amérique a promis de ne pas effectuer d’autres essais de bombes thermonucléaires, bien qu’elle doive encore s’assurer que son stock reste fiable, sûr et à jour. Cela implique d’étudier les matériaux des armes et les processus impliqués lorsqu’elles explosent.

Le combustible de fusion utilisé par le NIF est un mélange d’isotopes d’hydrogène, deutérium et tritium. Ces isotopes sont un élément essentiel des armes thermonucléaires à plusieurs étages. Pour le dire très simplement, lorsqu’il est temps pour une ogive d’exploser, des explosifs conventionnels sont utilisés dans l’étage primaire de l’appareil pour comprimer un noyau de combustible nucléaire – généralement composé de plutonium – pour déclencher une réaction de fission qui émet, entre autres, x -des rayons. Ces rayons X dépassent le souffle de l’étage primaire et sont canalisés sur l’étage secondaire pour comprimer un autre combustible – généralement du deutérure de lithium – qui implique finalement la fusion d’atomes de deutérium et de tritium pour libérer des quantités incroyables d’énergie en une infime fraction de seconde .

Il y a même des étapes potentiellement intermédiaires, selon la conception, qui impliquent la compression des isotopes d’hydrogène pour augmenter l’étape de fission, mais nous n’entrerons pas là-dedans. Essentiellement, vous pouvez voir que le broyage du combustible de fusion en utilisant la pression de rayonnement pour obtenir une réaction en laboratoire est assez important pour l’étude de la physique des armes. Le laboratoire a plus d’informations sur ce processus ici.

“Ces résultats extraordinaires du NIF font avancer la science qui [America’s National Nuclear Security Administration] dépend de la modernisation de nos armes et de notre production nucléaires ainsi que d’ouvrir de nouvelles voies de recherche », a déclaré mardi Jill Hruby, sous-secrétaire à la sécurité nucléaire du ministère de l’Énergie et administratrice de la NNSA.

Les scientifiques du LLNL prévoient de publier les résultats de leur expérience dans un prochain article évalué par des pairs. En attendant, ils essaieront de reproduire leurs découvertes et de comprendre comment cela aide ou affecte d’autres domaines de recherche. ®