Exceeding 1012 D-D flash neutrons in the 4.5-MA 1-MJ dense plasma focus FAETON-X
L'installation FAETON-X, un système de focus de plasma dense de 4,5 MA et 1 MJ développé par Fuse Energy Technologies, a atteint une figure de mérite record de 4,5 MA/MJ et a produit un rendement de neutrons D-D de pointe d'environ 1,27×10¹² par tir, démontrant une efficacité énergétique supérieure parmi les dispositifs de fusion de classe mégajoule.
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La petite étoile dans une boîte
Imaginez essayer de recréer la puissance du soleil ici même sur Terre. C'est le rêve de l'énergie de fusion : fracasser de minuscules atomes les uns contre les autres si fort qu'ils fusionnent, libérant ainsi des quantités massives d'énergie propre. Mais le soleil possède la gravité pour maintenir tout cela ensemble ; nous ne l'avons pas. Ainsi, les scientifiques utilisent de gigantesques machines pour comprimer les atomes à l'aide de forces magnétiques, créant une boule de gaz super chaude et super dense appelée plasma. L'une des méthodes les plus ingénieuses pour y parvenir est l'utilisation d'un dispositif appelé « Dense Plasma Focus » (Focalisation de Plasma Dense). Voyez cela comme une machine à pinball cosmique où l'électricité agit comme les flippers, projetant un flux de particules chargées dans une spirale serrée. Lorsqu'elles s'entrechoquent au centre, elles sont compressées si violemment qu'elles fusionnent, projetant des salves de neutrons (de minuscules particules) et de rayons X.
Pourquoi nous soucions-nous de ces petites salves ? Eh bien, elles ne servent pas seulement à produire de l'électricité (bien que ce soit l'objectif ultime). En ce moment, ces machines sont comme des lampes de poche surpuissantes qui peuvent tester la résistance des matériaux et de l'électronique face à un rayonnement intense. Cela est crucial pour concevoir des engins spatiaux capables de survivre dans l'espace profond ou pour construire des composants électroniques qui ne grilleront pas lors d'une tempête solaire. Le grand défi a toujours été l'efficacité : obtenir le meilleur « rendement » en utilisant le moins d'électricité stockée possible pour créer le pincement le plus grand et le plus chaud.
Le FAETON-X : Un orage de foudre dans une bouteille
Dans cet article, une équipe de chercheurs de Fuse Energy Technologies et de plusieurs universités présente une nouvelle machine appelée FAETON-X (ou FX pour les intimes). Ils la décrivent comme la machine la plus efficace énergétiquement et la plus performante en termes de courant au monde de son genre. Si vous avez déjà vu un orage, vous savez que la puissance d'un éclair dépend de la tension qu'il transporte et de la rapidité avec laquelle il peut délivrer cette énergie. Les chercheurs voulaient construire une machine capable de délivrer un énorme « cri » électrique en une fraction de seconde, en comprimant le plasma plus étroitement que jamais.
La machine est construite comme un immense banc de condensateurs (fondamentalement une batterie super chargée) stockant 1 MJ d'énergie. Elle utilise 20 condensateurs pour stocker cette puissance, qui est ensuite libérée d'un coup. L'objectif était de pousser un courant de crête de 4,5 MA (soit 4,5 millions d'ampères !) à travers le plasma. Pour donner un ordre d'idée, un circuit domestique typique transporte environ 15 à 20 ampères. Cette machine pousse l'équivalent de l'électricité de centaines de milliers de foyers à travers un tube en une fraction de seconde.
Le secret de la réussite réside dans l'efficacité. Les chercheurs ont mesuré un « facteur de mérite » de 4,5 MA/MJ. Cela signifie que pour chaque mégajoule d'énergie stockée, ils obtiennent 4,5 millions d'ampères de courant. C'est un chiffre record pour des machines de cette taille, surpassant les autres installations similaires qui parviennent généralement entre 2,35 et 3,25 MA/MJ. Comme la quantité de neutrons produite par une machine augmente selon la puissance quatrième du courant (ce qui signifie qu'une petite augmentation de courant entraîne une explosion massive de neutrons), ce gain d'efficacité change la donne.
Les résultats : Un flash de neutrons
L'équipe n'a pas seulement construit la machine ; elle l'a mise en marche et a observé ce qui se passait. Ils ont effectué 229 tirages (essais) lors de leur campagne de mise en service, augmentant progressivement la puissance à mesure qu'ils apprenaient à optimiser le fonctionnement de la machine. Ils ont constaté qu'au fil des tirs, les électrodes à l'intérieur subissaient un « conditionnement » — essentiellement nettoyées et lissées par les explosions répétées — ce qui aidait le plasma à se comprimer plus étroitement et à produire plus de neutrons.
Même si la machine n'était pas encore totalement « conditionnée » (ce qui signifie qu'elle a encore une marge de progression), elle a déjà pulvérisé ses propres objectifs de conception.
- L'objectif : Ils s'attendaient à obtenir environ 5 × 10¹¹ neutrons par tir.
- La réalité : Ils ont obtenu de manière constante un chiffre proche de celui-ci, mais lors de leur meilleur tir (le n°224), ils ont mesuré un rendement de crête de (1,27 ± 0,27) × 10¹² neutrons.
C'est plus du double de ce qu'ils espéraient ! Ils y sont parvenus en utilisant du gaz deutérium à une pression de 10 Torr. La machine a également produit une « tension de pincement induite par la dynamique » qui a culminé à 127 kV (kilovolts) juste avant que le plasma ne cesse de se déplacer et ne soit écrasé. Cette haute tension est exactement ce que l'équipe avait prédit, confirmant que leur philosophie de conception fonctionne.
Ce que les données nous disent
Les chercheurs ont utilisé de nombreux outils de haute technologie pour observer l'action, notamment des caméras spéciales capables de voir les rayons X, des capteurs mesurant la vitesse de déplacement du plasma et des détecteurs comptant les neutrons. Ils ont comparé leurs observations avec des simulations informatiques (utilisant ce qu'on appelle le « code Lee »). Les données réelles correspondaient très bien aux modèles informatiques, particulièrement en ce qui concerne le mouvement du plasma et le transfert d'énergie.
Une découverte intéressante concernait le « gaine de courant » (current sheath) — la couche de plasma qui est poussée vers l'intérieur. Au début de la compression, la gaine était un peu « diffuse » ou étalée, mais à mesure qu'elle se rapprochait du centre, elle se resserrait, avec une plus grande partie du courant participant à l'écrasement final. Ce comportement explique pourquoi le rendement en neutrons était si élevé. La machine a également produit des photons (particules de lumière) principalement dans la plage de 250 à 750 keV, ce qui correspond à un type spécifique de rayons X de haute énergie.
Et après ?
L'article est très clair sur ce que cette machine peut et ne peut pas faire actuellement. Elle est actuellement optimisée pour la fusion D-D (Deutérium-Deutérium), celle qu'ils ont testée. Cependant, sa conception est prévue pour supporter également la fusion D-T (Deutérium-Tritium). L'équipe calcule que s'ils passent au combustible D-T, la machine pourrait potentiellement produire environ 5 × 10¹³ neutrons par tir. Ce serait un bond massif, faisant d'elle un outil puissant pour tester la résistance des composants électroniques et des matériaux aux radiations extrêmes.
Ils mentionnent également que la machine pourrait être ajustée pour fonctionner avec des pressions encore plus basses afin de créer des faisceaux de particules rapides, qui pourraient être utilisés pour étudier les réactions D-⁷Li. Cela produirait des neutrons encore plus rapides (jusqu'à 14 MeV), qui sont idéaux pour simuler les environnements de radiations hostiles rencontrés dans l'espace ou dans les réacteurs nucléaires.
Les auteurs précisent avec prudence que, bien que les résultats soient impressionnants, la machine est encore en phase de « conditionnement ». Ils s'attendent à ce qu'avec davantage de tirs et un affinement de la forme des électrodes (ils ont déjà testé différentes pointes d'anode et des écartements différents), le rendement en neutrons soit encore plus élevé, atteignant potentiellement leur objectif d'efficacité de 5 MA/MJ. Pour l'instant, le FAETON-X est une preuve de concept démontrant qu'une machine compacte et hautement efficace peut générer un « flash » de neutrons rivalisant avec des installations beaucoup plus grandes et plus anciennes, ouvrant la voie à de meilleurs tests de radiation et à la recherche sur la fusion sans nécessiter une centrale de puissance massive.
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