#fusion101
Beaucoup d'articles cette semaine sur les résultats obtenus dans le domaine de la fusion nucléaire par confinement inertiel.
De quoi parle t-on?
Suivez le guide.
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livescience.com/burning-hydrog…
Rappel. La fusion nucléaire est le processus par lequel 2 atomes légers s'assemblent pour former un atome plus lourd.
Sur terre, on vise la fusion entre le deutérium et le tritium, 2 isotopes de l'hydrogène
La réaction de fusion est très énergétique. En terme de densité énergétique (énergie par kg de combustible), la fusion est même plus intéressante que la fission.
La fusion requiert des conditions assez extrêmes. Il faut chauffer le combustible à plus de 100 millions de degrés.
Un réacteur de fusion est un amplificateur de puissance: il faut investir de l'énergie pour chauffer le combustible pour que la réaction de fusion se produise
On parle donc en terme de facteur d'amplification. Comme la fusion en est au stade expérimentale on regarde au niveau du combustible ou du plasma (le combustible à 150 millions de degrés): ratio entre la puissance produite et la puissance injectée
Pour que la fusion produise suffisamment d'énergie pour être exploitée il faut que le produit de la densité du combustible, de sa température et du temps de confinement soit supérieur à un critère dit de Lawson. Le temps de confinement est une mesure de l'isolation thermique
On a donc en théorie plusieurs moyens de satisfaire ce critère en jouant sur ces 3 paramètres. En pratique, il y a 2 voies explorées.
La fusion par confinement magnétique (le principe d'ITER) utilise des champs magnétiques puissants. La densité du plasma est très faible (1g de gaz dans un volume de 800m3), et le temps de confinement de 3-4 secondes
La fusion par confinement inertielle qui utilise des lasers très puissants pour comprimer le combustibles à des densités 100 fois supérieures au plomb mais avec des temps de confinement de l'ordre du milliardième de seconde. C'est le principe du National Ignition Facility
Le NIF utilise 192 faisceaux lasers extrêmement puissants (de l'ordre du petawatt, 1.9MJ pour quelques milliardièmes de secondes).
Le combustible est sous la forme d'une sphère contenant du deutérium/tritium gazeux, avec une fine couche de deutérium/tritium congelé et un metal autour. 2mm de diamètre.
Si tous les lasers tapent directement la sphère on est en amorçage direct
Mais l'attaque directe est très compliquée. Toute imperfection dans la symétrie du chauffage donne lieu à des instabilités. Imaginez comprimer du slime entre vos mains- il sort entre vos doigts.
C'est pareil pour un plasma qui se déformera sous l'effet des inhomogénéités
Le NIF utilise l'attaque indirecte. Le combustible est placé au centre d'une cavité métallique, qui implose sous l'effet des lasers- générant des rayons-X très énergétiques qui vont comprimer le combustible
L'avantage est qu'en théorie on est moins sensible aux inhomogénéités. Problème: seul 10-15% de l'énergie des lasers est convertie en rayons X, on a donc de grosses pertes.
Le NIF a démarré en 2009 avec l'objectif de démontrer un gain supérieur à 1. L'ambition était énorme au départ mais les difficultés se sont vite accumulées.
A noter, une grande partie du programme du NIF concerne la simulation d'explosions nucléaires pour le programme militaire
Mais ces dernières années les progrès ont été assez impressionnant.
Fin 2020, le NIF a atteint le point où la fusion a généré plus d'énergie que celle injectée dans le combustible. On appelle ça un burning plasma: plasma chauffé majoritairement par la fusion. Une première
Par contre, au vu des pertes mentionnées plus haut, l'énergie générée par la fusion est bien plus faible que celle injectée par les lasers.
Mais un plasma auto-chauffé est un état que l'on a jamais étudié avant.
En Aout 2021, le NIF est allé beaucoup plus loin en générant 1.3MJ d'énergie de fusion pour 1.9 MJ d'énergie injectée par les lasers. Un ratio de 0.7 qui égale le record datant de 1997 dans le tokamak JET
theconversation.com/fusion-nucleai…
Si on regarde au niveau du combustible, on a même un gain supérieur un 5. Très encourageant, même si un réacteur inertiel devrait avoir un gain au moins 10-20 fois supérieur pour être intéressant. Il devra générer 10-20 explosions par secondes
Les expériences faites fin 2021 semblent avoir du mal à répéter cet exploit, ce qui montre la difficulté de la fusion, et le fait qu'on ne comprend pas encore tous les phénomènes se produisant.
physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.…
Des start-ups proposent de développer des réacteurs sur le principe de la fusion inertielle par attaque directe. A suivre...
marvelfusion.com
C'est la fin.
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