Le plasma d’hydrogène « brûlant » dans le plus grand laser du monde établit des records de fusion › Geeky News

Le secret d’une expérience de fusion nucléaire record qui a craché 10 quadrillions de watts de puissance en une fraction de seconde a été révélé : un plasma « auto-échauffant » – ou « brûlant » – d’hydrogène chargé en neutrons à l’intérieur de la capsule de combustible utilisée dans l’expérience, selon les chercheurs.

L’année dernière, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie du Nord ont annoncé la libération record de 1,3 mégajoules d’énergie pendant 100 billionièmes de seconde au National Ignition Facility (NIF), a rapporté Live Science à l’époque. Dans deux nouveaux articles de recherche, les scientifiques du NIF montrent que cette réussite est due à l’ingénierie de précision de la minuscule cavité et de la capsule de combustible au cœur du système laser le plus puissant au monde, où la fusion a eu lieu.

Bien que la capsule de carburant ne mesurait qu’environ un millimètre (0,04 pouce) de diamètre et que la réaction de fusion n’ait duré qu’une fraction de temps, sa production était égale à environ 10% de toute l’énergie de la lumière solaire qui frappe la Terre à chaque instant, ont rapporté les chercheurs. . .

Les chercheurs ont déclaré que la réaction avait explosé autant d’énergie parce que le processus de fusion lui-même chauffait le carburant restant dans un plasma suffisamment chaud pour permettre d’autres réactions de fusion.

« Un plasma brûlant, c’est quand le chauffage des réactions de fusion devient la principale source de chauffage dans le plasma, plus que nécessaire pour initier ou relancer la fusion », a déclaré Annie Kritcher, physicienne au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Live Science dans un e-mail. Kritcher est l’auteur principal d’une étude publiée le 26 janvier dans Nature Physics décrivant comment le NIF a été optimisé pour obtenir le plasma brûlant, et le co-auteur d’une autre étude publiée dans Nature le même jour qui détaille les premières expériences de plasma brûlant au NIF. en 2020 et début 2021.

Étoile dans un bocal

La fusion nucléaire est le processus qui alimente les étoiles comme le soleil. C’est différent de la fission nucléaire, qui est utilisée dans les centrales électriques ici sur Terre pour générer de l’énergie en divisant les noyaux atomiques lourds – comme le plutonium – en noyaux atomiques plus petits.

La fusion nucléaire libère de grandes quantités d’énergie lorsque les noyaux atomiques sont «fusionnés» – c’est-à-dire réunis – en noyaux plus gros.

Les types de fusion les plus simples sont alimentés par l’hydrogène, et les chercheurs espèrent que la fusion nucléaire pourra un jour être développée en une source d’énergie relativement « propre » utilisant l’hydrogène abondant dans les océans de la Terre.

Parce que les étoiles sont très grandes, leur forte gravité signifie que les réactions de fusion ont lieu à des pressions très élevées. Mais ici sur Terre, de telles pressions ne sont pas réalisables – et les réactions de fusion doivent donc avoir lieu à des températures très élevées. (Dans un volume donné, plus la température d’un gaz augmente, plus la pression augmente, et inversement, selon la loi de Gay-Lussac.)

Les 192 faisceaux laser du NIF convergent au centre d’une chambre sphérique dans la Target Bay, qui a également servi de décor pour la salle des machines du Starship Enterprise dans le film de 2013 « Star Trek : Into Darkness ». (Crédit image : Damien Jemison)

Différents expérimentateurs suggèrent différentes méthodes pour maintenir une réaction de fusion à des températures élevées, et le National Ignition Facility se spécialise dans une approche appelée «confinement inertiel». Il crée des températures élevées en frappant une minuscule pastille d’hydrogène au centre à l’aide de 192 lasers de haute puissance, qui eux-mêmes consomment d’énormes quantités d’énergie et ne peuvent être déclenchés qu’une fois par jour environ.

L’approche de confinement inertiel a été mise au point pour tester les armes thermonucléaires, et elle est loin d’être une source d’énergie viable – une telle source d’énergie devrait vaporiser plusieurs de ces pastilles de combustible chaque seconde pour avoir une sortie d’énergie suffisamment grande pour générer des quantités utiles de électricité.

Mais le NIF a récemment réussi à atteindre des rendements énergétiques extraordinairement élevés, ne serait-ce que pour de très brefs instants. L’expérience d’août a failli produire autant d’énergie de la pastille de combustible que celle qui y était injectée, et les chercheurs s’attendent à ce que les futures expériences soient encore plus puissantes.

Confinement inertiel

Les deux nouvelles études décrivent des expériences de plasma brûlant menées dans les mois précédant la réaction de 10 quadrillions de watts ; ces expériences antérieures ont abouti à la production de 170 kilojoules d’énergie à partir d’une pastille de seulement 200 microgrammes (0,000007 once) d’hydrogène, soit environ trois fois la production d’énergie de toutes les expériences précédentes.

Il a été réalisé en façonnant soigneusement à la fois la capsule de combustible – une minuscule coque sphérique de diamant en polycarbonate qui enfermait la pastille – et la cavité qui la contenait – un petit cylindre d’uranium appauvri (pas très radioactif) doublé d’or, connu sous le nom de hohlraum.

Les nouvelles conceptions ont permis aux lasers NIF qui chauffaient la pastille de fonctionner plus efficacement dans le hohlraum, et à la coque chaude de la capsule de se dilater rapidement vers l’extérieur pendant que la pastille de combustible « implosait » – avec pour résultat que le combustible fusionnait à une température aussi élevée. qu’il a chauffé d’autres parties de la pastille dans un plasma.

« C’est important car c’est une étape nécessaire sur la voie de la production de grandes quantités d’énergie à partir de la fusion par rapport à l’énergie que nous y mettons », a déclaré le physicien Alex Zylstra à Live Science dans un e-mail. Zylstra a dirigé les premières expériences de combustion de plasma et est l’auteur principal de l’étude Nature à leur sujet.

Bien que de nombreuses autres étapes scientifiques soient nécessaires avant que la fusion par confinement inertiel puisse être utilisée comme source d’énergie, l’étape consistant à obtenir un plasma « brûlant » permettra aux scientifiques d’en savoir plus sur le processus, a-t-il déclaré.

« Plasmas brûlants [at] Le NIF est maintenant dans un nouveau régime où nous pouvons étudier scientifiquement de telles conditions », a déclaré Zylstra.

Kritcher a ajouté que cette percée permettra de mieux comprendre la fusion nucléaire qui peut être utilisée dans d’autres types de réactions de fusion, telles que celles qui ont lieu dans les tokamaks, et pas seulement les réactions obtenues par fusion par confinement inertiel.

« Ce travail est important car il donne accès à un nouveau régime de physique des plasmas qui fournira une richesse de compréhension pour l’ensemble de la communauté de la fusion », a-t-elle déclaré.

Publié à l’origine sur Live Science.