Experimental observation of fusion burn history with pico-second time resolution in inertial confinement fusion research
Cette étude démontre un nouvel outil de diagnostic ultra-rapide utilisant l'effet Stark d'un capteur polymère électro-optique avec un laser de sonde à impulsion de type chirp, atteignant une résolution temporelle de 2 ± 0,5 ps qui a mesuré avec succès une durée de combustion de fusion de 16–20 ps dans des implosions deutérium–deutérium, établissant ainsi une technique de nouvelle génération pour le contrôle de la combustion de fusion dans la recherche sur la fusion par confinement inertiel.
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Depuis des décennies, les scientifiques tentent de domestiquer la puissance qui alimente les étoiles, un processus connu sous le nom de fusion nucléaire. L'objectif est de comprimer les atomes si étroitement et de les chauffer si intensément qu'ils fusionnent, libérant ainsi de vastes quantités d'énergie propre. En laboratoire, on tente souvent cela en écrasant une minuscule pastille de combustible à l'aide de lasers puissants, une méthode appelée fusion par confinement inertiel. Lorsque le combustible s'enflamme, il crée une brève explosion de plasma extrêmement chaude. La clé pour faire de cela une source d'énergie pratique réside dans le contrôle de cette explosion. Si le combustible brûle trop vite ou trop lentement, l'énergie est gaspillée. Pour comprendre comment le contrôler, les chercheurs doivent observer la combustion au ralenti extrême, en capturant le moment exact où le feu commence, atteint son sommet et s'éteint. Jusqu'à présent, les outils disponibles pour observer ce processus étaient trop lents, transformant l'événement en un flash unique et indistinct.
Une équipe de chercheurs a désormais construit une caméra assez rapide pour voir clairement ce moment fugace. Travaillant dans des installations laser au Japon, ils ont développé une nouvelle façon de mesurer l'historique d'une combustion de fusion avec une précision se comptant en picosecondes. Une picoseconde est un millilliardième de seconde. Pour mettre cela en perspective, une picoseconde est à une seconde ce qu'une seconde est à environ trente-deux ans. Ce niveau de vitesse est nécessaire car la combustion de fusion dans une expérience typique ne dure qu'environ quarante picosecondes. Les chercheurs ont utilisé avec succès leur nouveau dispositif pour enregistrer toute la vie d'une réaction de fusion, mesurant la durée de combustion du combustible avec une clarté auparavant impossible.
Le cœur de cette prouesse est un capteur fabriqué à partir d'un matériau plastique spécial qui modifie la façon dont il laisse passer la lumière lorsqu'il est frappé par des champs électriques. Lorsqu'une réaction de fusion se produit, elle projette des particules à grande vitesse comme des neutrons et des protons. Ces particules frappent le capteur, créant un champ électrique minuscule et éphémère à l'intérieur du plastique. Ce champ modifie instantanément la façon dont le plastique absorbe un faisceau de lumière passant à travers lui. Pour capturer ce changement de l'ordre de la fraction de seconde, l'équipe a utilisé un faisceau laser qui a été étiré dans le temps, comme un long ruban coloré. Au moment où les particules de fusion frappent le capteur, elles provoquent une ondulation dans le motif de couleur de la lumière. En lisant ce motif, les chercheurs pouvaient reconstruire exactement quand les particules sont arrivées et combien de temps l'explosion a duré.
L'équipe a testé ce système en utilisant deux configurations laser différentes. D'abord, ils ont utilisé un laser puissant pour générer une salve d'électrons rapides afin de vérifier la rapidité de réaction du capteur. Les résultats ont montré que le système pouvait résoudre des événements aussi courts que deux picosecondes, confirmant qu'il était assez rapide pour la tâche. Ensuite, ils se sont tournés vers une expérience de fusion où ils ont écrasé une petite coque de plastique deutéré à l'aide de lasers. Cette implosion a créé une salve de neutrons et de protons de fusion. Le capteur a capturé l'arrivée de ces particules et a enregistré la durée de la combustion. Les données ont révélé que le combustible a brûlé pendant entre seize et vingt picosecondes. C'est une découverte significative car elle est bien plus courte que ce que certains détecteurs plus anciens et plus lents suggéraient, et elle correspond étroitement à ce que les simulations informatiques prédisaient pour ce type spécifique d'expérience.
Les chercheurs ont également noté que le capteur pouvait faire la distinction entre les types de particules qui le frappent. Les neutrons produisaient un signal allant dans un sens, tandis que les protons produisaient un signal allant dans l'autre. Cette capacité à distinguer différents types de particules sans avoir besoin de champs magnétiques complexes ou de blindages est un avantage majeur. L'équipe a confirmé que leurs mesures correspondaient aux prédictions théoriques sur le nombre de particules produites et leur trajectoire, ce qui leur donne la certitude que le dispositif fonctionne correctement. Bien que l'expérience ait été menée à une échelle plus petite que les installations massives utilisées pour la recherche sur la fusion à grande échelle, la sensibilité du nouveau capteur est suffisante pour gérer les explosions beaucoup plus importantes attendues dans ces futurs tests.
Ce travail représente une étape cruciale dans la quête de l'énergie de fusion. En fournissant une vue claire et à haute vitesse du processus de combustion, les scientifiques peuvent désormais tester leurs modèles informatiques par rapport à des données réelles avec une précision bien plus grande. Si les modèles peuvent être fiables pour prédire le comportement du combustible, les chercheurs peuvent concevoir de meilleures cibles et de meilleurs lasers pour atteindre les combustions stables et à haute énergie nécessaires à une centrale électrique. Le nouveau capteur agit comme un œil à haute vitesse, permettant enfin aux scientifiques de voir les détails complexes du feu de fusion, les rapprochant ainsi de l'objectif de contrôler la puissance des étoiles.
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