Vue de l’intérieur de la chambre cible OMEGA lors d’une expérience de fusion inertielle à entraînement direct au Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester. Les scientifiques ont tiré 28 kilojoules d’énergie laser sur de petites capsules remplies de combustible au deutérium et au tritium, provoquant l’implosion des capsules et produisant un plasma suffisamment chaud pour initier des réactions de fusion entre les noyaux du combustible. Les températures atteintes au cœur de ces implosions atteignent 100 millions de degrés Celsius (180 millions de degrés Fahrenheit). La vitesse à laquelle l’implosion a lieu se situe généralement entre 500 et 600 kilomètres par seconde (1,1 à 1,35 million de milles par heure). Les pressions au cœur sont jusqu’à 80 milliards de fois supérieures à la pression atmosphérique. Crédit : Photo du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester / Eugene Kowaluk
Les méthodes mises au point à l’aide du système laser OMEGA du Laboratoire d’énergie laser montrent un potentiel pour déclencher la fusion à plus grande échelle.
Des chercheurs du Laboratoire d’énergie laser (LLE) de l’Université de Rochester ont mené des expériences présentant une « bougie d’allumage » efficace pour les approches à entraînement direct de la fusion par confinement inertiel (ICF). Dans deux études présentées dans Physique naturellel’équipe partage ses découvertes et détaille le potentiel d’extension de ces méthodes, en vue d’une fusion réussie dans une future installation.
LLE est le plus grand programme universitaire du Département de l’énergie des États-Unis et héberge le système laser OMEGA, qui est le plus grand laser universitaire au monde, mais qui représente néanmoins près d’un centième de l’énergie de la National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory à Californie. Avec OMEGA, les scientifiques de Rochester ont réalisé plusieurs tentatives réussies pour tirer 28 kilojoules d’énergie laser sur de petites capsules remplies de combustible de deutérium et de tritium, provoquant l’implosion des capsules et la production d’un plasma suffisamment chaud pour initier des réactions de fusion entre les noyaux combustibles. Les expériences ont provoqué des réactions de fusion qui ont produit plus d’énergie que la quantité d’énergie présente dans le plasma chaud central.
Les expériences OMEGA utilisent un éclairage laser direct de la capsule et diffèrent de l’approche à entraînement indirect utilisée sur le NIF. Lors de l’utilisation de l’approche à entraînement indirect, la lumière laser est convertie en rayons X qui à leur tour entraînent l’implosion de la capsule. Le NIF a utilisé un entraînement indirect pour irradier une capsule avec des rayons X en utilisant environ 2 000 kilojoules d’énergie laser. Cela a conduit à une percée en 2022 au NIF dans la réalisation de l’allumage par fusion, une réaction de fusion qui crée un gain net d’énergie de la cible.
Réalisations et perspectives d’avenir
« Générer plus d’énergie de fusion que le contenu énergétique interne de l’endroit où la fusion a lieu est un seuil important », déclare l’auteur principal du premier article, Connor Williams ’23 Ph.D. (physique et astronomie), maintenant scientifique aux Sandia National Labs dans la conception de cibles de rayonnement et d’ICF. « C’est une condition nécessaire pour tout ce que vous souhaitez accomplir plus tard, comme brûler des plasmas ou réaliser un allumage. »
En démontrant qu’elle peut atteindre ce niveau de performance d’implosion avec seulement 28 kilojoules d’énergie laser, l’équipe de Rochester est enthousiasmée par la perspective d’appliquer des méthodes d’entraînement direct à des lasers ayant plus d’énergie. La démonstration d’une bougie d’allumage est une étape importante, cependant, OMEGA est trop petite pour comprimer suffisamment de carburant pour parvenir à l’allumage.
« Si vous parvenez éventuellement à créer la bougie d’allumage et à comprimer le carburant, l’entraînement direct présente de nombreuses caractéristiques favorables à l’énergie de fusion par rapport à l’entraînement indirect », explique Varchas Gopalaswamy ’21 Ph.D. (génie mécanique), le scientifique du LLE qui a dirigé la deuxième étude explorant les implications de l’utilisation de l’approche à entraînement direct sur les lasers de classe mégajoule, similaires à la taille du NIF. « Après avoir mis à l’échelle les résultats OMEGA à quelques mégajoules d’énergie laser, les réactions de fusion devraient devenir auto-entretenues, une condition appelée » plasmas en combustion « .
Gopalaswamy affirme que l’ICF à entraînement direct est une approche prometteuse pour obtenir un allumage thermonucléaire et une énergie nette dans la fusion laser.
Innovations technologiques et collaborations
« Un facteur majeur contribuant au succès de ces expériences récentes est le développement d’une nouvelle méthode de conception d’implosion basée sur des prédictions statistiques et validée par apprentissage automatique algorithmes », déclare Riccardo Betti, scientifique en chef du LLE et professeur Robert L. McCrory au Département de génie mécanique et au Département de physique et d’astronomie. « Ces modèles prédictifs nous permettent de réduire le nombre de modèles candidats prometteurs avant de réaliser des expériences précieuses. »
Les expériences de Rochester ont nécessité un effort hautement coordonné entre un grand nombre de scientifiques, d’ingénieurs et de personnel technique pour faire fonctionner l’installation laser complexe. Ils ont collaboré avec des chercheurs du MIT Plasma Science and Fusion Center et General Atomics pour mener les expériences. Ces expériences ont été financées par la National Nuclear Security Administration du ministère américain de l’Énergie. Le travail de conception cible résulte d’applications d’apprentissage automatique financées par le programme DOE Fusion Energy Sciences.
