Partie C: 1-1er temps : démontrer la faisabilité scientifique de la fusion en laboratoire

Les progrès réalisés dans la compréhension des différents phénomènes régissant la fusion thermonucléaire devrait permettre de démontrer dans les 10 ou 20 ans à venir qu’il est possible d’obtenir en laboratoire l’ignition d’un mélange équimolaire de DT avec des gains de l’ordre de 100 (à partir d’un vecteur d’énergie de l’ordre du mégajoule).

La réalisation d’un réacteur paraît en revanche beaucoup plus lointaine et soumis encore à un grand nombre d’inconnues ( cadence de répétition , récupération de l’énergie …), on commence pourtant à y réfléchir. 

Les deux grands projets en matière de fusion par confinement inertiel sont le NIF ( national ignition facility) , qui sera construit à l’horizon 2003 au LLNL ( Lawrence Livermore National Laboratory) et le LMJ (Laser Mégajoule ) qui verra le jour aux environs de 2010 sur le site du CEA près de Bordeaux.

Ce sont des installations en partie militaires dont l’objectif principal est d’améliorer la simulation des armes nucléaires par la réalisation de micros explosions contrôlées , dans le schéma d’attaque indirecte. Ces recherches en partie déclassifiées permettront d’avancer également dans la voie d’une application civile ; d’autant qu’une collaboration technique entre la France et les USA a été instaurée en 1994 pour 10 ans afin de partager les coûts de réalisation de lasers de forte puissance.

On peut toutefois regretter qu'un domaine aussi prometteur soit en grande partie contrôlé par le lobby militaire. On pourra lire à ce propos une tribune libre que j'ai écrite sur la fusion nucléaire en général et les liens entre recherches scientifiques et domaine militaire : lire cette tribune.

1.1.Le vecteur d'énergie : lasers ou faisceau d'ions lourds ?

On cherche à déposer une énergie minimum de 1.8 MJ avec une puissance crête de 500 TW sur la cible de DT étudiée dans la partie A-2 suivant le schéma de l’attaque indirecte. Des simulations numériques et fonctionnelles ont permis de définir les spécifications de base de ce laser MJ :

1. impulsions de 20 ns mis en forme temporellement pour créer le point chaud, λ= 0.35 μm
2. rendement = E_{sur cible} / E_{electr conso} = G₆.G₇.g₈  10 %  
3. fréquence de tir de quelques Hertz pour une application industrielle.

              Plusieurs appareils peuvent satisfaire toutes ou  partie de ces conditions :

• Le laser à verres dopés au néodyme : c’est celui qui beneficie actuellement des meilleurs avancées technologiques. Il satisfait sans problème à la condition 1. mais au détriment des 2 autres !

  En effet le rendement du laser ne dépassant pas 0.1 % est  limité par plusieurs facteurs :

  • le pompage optique du verre dopé est réalisé par des lampes flash au Xénon dont le rendement ne dépasse pas 60% et dont le spectre d’émission est plus large que celui d’absorption du verre d’où perte d’énergie.
  • Le rendement du pompage (E_{inversion de pop} / E_{stockée dans condensateurs}) est de l’ordre de 2%, faible valeur dû essentiellement au fait que l’impulsion lors de son passage dans l’amplificateur n’en extrait que le tiers de l’énergie qui y est stockée.
  • L’obtention d’une λ= 0.35 μm nécessite une conversion de fréquence avec des cristaux de KDP à partir du fondamental du laser se situant à 1.05 μm. Le rendement de l’opération se situe entre 50 et 70 %.
  
  On peut espérer gagner un facteur 10 sur le rendement du laser en améliorant les dopages pour ajuster spectres d’émission et d’absorption, en utilisant de nouveaux materiaux pour la conversion et par multi passage de l’impulsion dans l’amplificateur.

 L’énorme inconvénient de ce laser est sa faible cadence d’utilisation : de l’ordre de l’heure ! En effet l’énergie stockée dans les lampes flash se dissipe sous forme de chaleur dans le verre qui se trouve être un très mauvais conducteur de chaleur. Aussi y a-t-il de fortes variations d’indice de réfraction, des phénomènes de biréfringence qui induisent un dérèglement incontrôlable de l’alignement du faisceau. On doit donc attendre le retour à la température initiale en le favorisant par une circulation de gaz. Ce laser sera donc utilisé pour la 1^ère phase mais devra être remplacé ou amélioré pour une application industrielle.

• Le laser à fluorure de krypton : il n’a pas bénéficié des mêmes investissement d’où un retard technologique de plusieurs années, il présente cependant certains avantages qui pourront le cas échéant en faire un concurrent direct du précédent.
  • on obtient directement une λ= 0.25 μm d’où absence de pertes par conversion.
  • meilleur rendement (2%) dû à un pompage par faisceau d’électrons.
  • Le milieu laser est gazeux (F,Ar,Kr) donc beaucoup moins sensible aux problèmes thermiques exposés ci dessus : un recyclage extérieur des gaz permettrait des cadences élevées.

  En revanche, l’obtention d’impulsions courtes et la mise en forme temporelle ( nécessitant un très grand nombre de faisceaux dont on décale le passage dans les amplificateurs) réduisent le rendement d’un facteur 2.




• Les accélérateurs d’ions lourds :  le vecteur d’énergie n’est plus un faisceau laser mais un faisceau d’ions accélérés que l’on focalise sur la cible. Les premières (et encore maigres) études sur l’interaction du faisceau avec le plasma de la cible sont encourageantes dans le cas des ions lourds (Z > 100). Autre avantage notoire : une cadence de répétition supérieure à la dizaine de hertz. Le principe consiste à accélérer les ions avec une énergie d’une dizaine de GeV et de focaliser le faisceau sur la cible à l’aide de lentilles magnétiques. De tels accélérateurs n’existent pas à l’heure actuelle mais les progrès récents dans ce domaine permettent d’être optimistes. Autre inconnue, la focalisation du faisceau et les phénomènes d’instabilités qui y sont liés. En tout cas, ce serait une erreur de ne pas engager en parallèle des recherches sur ce type de vecteur ; car si la démonstration de la fusion en laboratoire se fera avec le laser à verre, il y a fort à parier que la rentabilité d’une exploitation industrielle passera par l’utilisation de ce type d’accélérateurs !
  
  Nous n’aborderons pas les faisceaux d’ions légers, apparemment moins prometteurs.

1.2.Principe de base de la chaîne laser : amplification et conversion

L’exploitation des lasers Phebus en France ou Nova aux USA ont servi de bases pour la conceptions du LMJ

Le laser MJ sera un laser multi-chaînes : 240 faisceaux unitaires de section carrée de 40 x 40 cm² , ce qui permettra de délivrer une énergie de 1.8 MJ sur la cible.

• L’amélioration des rendements énergétiques passe par l’utilisation d’amplificateurs « filets » empilés par groupes de 6 alimentant 20 faisceaux unitaires.
• Le multi passage du faisceau ( 4 fois) à travers l’amplificateur par un jeu de miroir accroît le rendement global du laser.

Le schéma suivant montre l'organisation de la chaîne amplificatrice :

La chaîne amplificatrice du laser mégajoule

R. Goutallier 2001

Chaque faisceau unitaire doit délivrer ainsi 14 kJ à 1.05 mm. Le passage dans des cristaux de KDP partiellement deutérés permet leur conversion à 0.35 mm puis leur focalisation par des lentilles sur la cible ;le tout regroupé dans un bloc multifonctionnel présenté ci dessous :

Constitution d'un des 240 faisceaux unitaires

revue CHOC N°13

                                   Remarque : tous les éléments doivent avoir une grande tenue vis à vis du flux laser intense utilisé

1.3.La salle d'expérience et le bâtiment

            La salle d’expériences comporte une chambre d’expériences (cf C.I.4), les équipements nécessaires à la mise en place des cibles au centre de la chambre, les blocs fonctionnels vu précédemment ,les appareils de diagnostic, une enceinte en béton ferme la salle et protège ainsi le reste de l’installation des flux importants de neutrons de 14 MeV. L’ensemble des moyens de mesures sera géré de l’extérieur par un environnement informatique.

         Le schéma suivant donne une idée de la taille et la complexité de la salle d’expérience:

La salle d'expérience du projet français LMJ

revue CHOC N°13

Le bâtiment, en forme de U abritera : dans les ailes latérales les 2 grandes chaînes d’amplification laser , la salle d’expérience dans la base du U, et les locaux d’exploitation (informatique, régéneration du tritium) à l'avant du bâtiment. Toutes les installations faisant appel à des technologies minutieuses, devront être à empoussièrement, hygrométrie et température contrôlés, ce qui nécessitera des installations de traitement de l’air. Les installations optiques seront découplées du reste du bâtiment afin de les rendre insensibles aux vibrations extérieures pour conserver les alignements optiques et l’uniformité d’irradiation de la cible.

La puissance électrique de l’ensemble atteindra 30  MW dont la moitié sera utilisée lors de la charge des bancs de condensateurs (450 MJ) nécessaires au fonctionnement des amplificateurs lasers. Aucune fonction n’est prévue pour récupérer l’énergie dégagée par la fusion , étant donné que le but de cette installation est uniquement l’étude des paramètres relatifs à la fusion inertielle, indispensable avant d'envisager une éventuelle application industrielle.

            C’est une enceinte sous vide secondaire, rigide, de forme sensiblement sphérique de 10 m de diamètre intérieur. L’énergie dégagée (sous forme de rayons X, de neutrons de 14 MeV et de débris) en quelques nanosecondes atteint des valeurs inconnues en laboratoire d’où des conditions de sécurité nouvelles (l’implosion d’une micro sphère d’un dixième de millimètre dégage une énergie équivalente à l’explosion de 5.5 kg de TNT). Ainsi le grand diamètre de cette chambre a notamment pour but de limiter la vaporisation de ses parois : à 5 m, on a calculé que l’épaisseur vaporisée ne dépasse pas 0.8 mm ;ainsi on évitera d’avoir trop souvent à intervenir à l’intérieur de la chambre pour  des opération de nettoyage. 

            Notamment les neutrons interagissent avec les matériaux  environnants générant des rayonnements g par réaction (n,g) ainsi que par désactivation des matériaux  excités par l’absorption de l’énergie des neutrons. Ces rayonnements intenses correspondant à 5 m à des doses de 100000 msever/h définiront des temps d’accès à la chambre et les conceptions de celle ci ainsi que de ses équipements de mesure:

Flux neutronique en fonction de la distance par rapport à la cible implosée	Dose (μsever/h) en fonction du temps écoulé après un tir

• Le bloc multifonctionnel est contenu dans une structure supportée par le mur de la salle d’expérience, permettant de protéger les cristaux de conversion des flux intenses.



• La chambre elle même est constituée de 2 parois d’aluminium ( 25 mm d’épaisseur) espacées de 80 cm et entre lesquelles on dispose de la neutraline (matériau neutrophage) qui réduit à l’extérieur le flux de neutrons d’un facteur 1000. On prévoit également des écrans amovibles en materiau plus réfractaire que l’aluminium afin de protéger les parois notamment des flux intenses de rayons X.



• Les appareils de diagnostics ne devront pas se situer trop près de la cible car à 2 m l’épaisseur de matériau vaporisée n’est plus négligeable ( 10 μm).Ils se situeront en bordure de chambre et pourront  par exemple être pourvu d’écrans de protection amovibles par un système pneumatique dont le temps de réponse est compatible avec celui mis par le flux de neutrons à l’atteindre à 5 m. On devra également utiliser voire inventer des matériaux durcis aux rayons X qui déposent aussi une grande énergie.

Le micro ballon est placé dans une cavité cylindrique d’or d’environ 1 cm de longueur et 0.7 cm de diamètre comportant 2 orifices en haut et en bas pour les passages des 2 fois 120 faisceaux lasers ; le plan horizontal étant ainsi libéré pour les diagnostics.

Il est introduit grâce à un porte-cible équipé d’un sas et possédant 6 degrés de liberté qui lui permettent de positionner la cible avec une précision de 5 mm (indispensable pour assurer l’uniformité d’irradiation du ballon). Les système de motorisation se trouveront à l’extérieur de la chambre, protégés par le béton.

Le porte-cible (cryogénique) devra pouvoir maintenir la cible à température constante en dessous du point triple du DT (19.8 K) jusqu’à l’instant du tir et pendant toute la durée de mise en place.

1.6.Exploitation du laser Mégajoule

Le but est l’étude de la combustion thermonucléaire d’une cible de DT à haut gain (G₃ > 100). Le scénario expérimental comprendra 2 phases :

• une phase d’études préliminaires : focalisation des lasers (sur cibles planes dans un 1^er temps), variations spatio-temporelles du flux de rayons X crées, formation du point chaud, instabilités (étude fondamentale car la plus susceptible de révéler de mauvaises surprises comme on l’a vu ..), etc .

  Cette phase sera très instrumentée et permettra d’établir des diagnostics indispensables au conditionnement des futurs tirs sur cibles à haut gains : bilan d’énergie sur les X , les neutrons et autres particules ; mesures optiques pour déceler notamment l’influence des instabilités Raman et Brillouin ; chronométrie de l’opération …
  
  

• La 2^ème phase impliquera des tirs sur cibles cryogéniques à haut gain. La cadence des tirs  sera limitée par les forts dégagements d’énergie et donc les temps de refroidissement (de la chambre et des lasers) associés. On étudiera plus précisément la zone de combustion à l’aide des diagnostics suivants :
  
  
• Imagerie neutronique pour étudier l’énergie dégagée et donc les paramètres de la cible
• Imagerie g pour mesurer la vitesse de propagation de l’onde de combustion et sa durée

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