New approach in laser inertial fusion , fast ignition and magnetic confinement

La quête pour maîtriser la puissance des étoiles est depuis longtemps un objectif central de la physique, visant à reproduire le processus qui alimente le soleil : la fusion nucléaire. Dans ce processus, des atomes légers sont forcés de s'assembler sous une pression et une chaleur immenses pour former des atomes plus lourds, libérant de vastes quantités d'énergie. Bien que les scientifiques aient réussi à créer des réactions de fusion en laboratoire, transformer cette explosion éphémère de puissance en une source d'électricité stable et fiable pour nos réseaux reste l'un des défis d'ingénierie les plus difficiles sur Terre. Les principaux obstacles concernent la compression parfaite d'une minuscule pastille de combustible et l'extraction de l'énergie résultante sans détruire la machine qui la contient. Les approches traditionnelles peinent souvent à assurer la symétrie de la compression ou la durabilité des parois du réacteur, qui doivent résister à des rafales intenses de radiations et de chaleur.

Dans une nouvelle proposition, Yuri Chivel de MerPhotonics expose une approche distincte pour résoudre ces problèmes, combinant une conception laser novatrice avec une structure de réacteur radicalement différente. L'idée centrale est de remplacer les systèmes laser complexes à plusieurs étapes actuellement utilisés par un agencement sphérique plus simple qui agit comme un instrument optique massif et unique. Au lieu de tirer des lasers de l'extérieur vers l'intérieur, cette conception envisage un réacteur où les composants laser forment eux-mêmes la coque de la sphère, créant une onde de lumière uniforme qui converge vers une cible située au centre même. Cette méthode vise à comprimer la pastille de combustible avec une symétrie parfaite, une exigence critique pour le succès qui a été historiquement difficile à atteindre.

Le réacteur décrit est une sphère de quatre mètres de diamètre, tapissée de centaines d'éléments laser en forme de disque. Ces éléments sont disposés en une couche concentrique, créant une grande cavité. Lors de la phase linéaire de fonctionnement, la lumière rebondit d'avant en arrière à l'intérieur de cette grande sphère, accumulant un motif d'énergie spécifique avec un point focal situé précisément au milieu. L'innovation réside dans la manière dont l'impulsion est déclenchée. Plutôt que d'utiliser des obturateurs électroniques complexes pour libérer l'énergie, le système utilise la pastille de combustible elle-même comme un interrupteur. Lorsqu'une minuscule pastille contenant un mélange de deutérium et de tritium est projetée au centre de la sphère à grande vitesse, elle bloque physiquement la grande cavité. Cela force la lumière à passer dans de plus petites cavités individuelles formées par les disques laser. Ce changement soudain provoque la libération de toute l'énergie stockée en une explosion synchronisée d'une durée de la nanoseconde, qui frappe la pastille de toutes les directions simultanément, l'écrasant avec une force immense.

Une fois la pastille compressée, elle doit être allumée pour démarrer la réaction de fusion. Le document suggère une stratégie d'« ignition rapide » qui sépare la phase de compression de la phase de chauffage. Au lieu de compter sur un seul faisceau laser massif pour chauffer le combustible compressé, cette conception utilise un système de six à dix impulsions laser plus courtes et ultra-rapides. Ces impulsions frappent la surface de la pastille compressée, générant de puissants faisceaux de particules chargées — spécifiquement des ions de deutérium et de tritium. Ces faisceaux d'ions sont générés via des chocs sans collision excités directement dans la couronne de plasma entourant la pastille compressée. Les faisceaux entrent ensuite en collision au centre de la pastille, transférant leur énergie directement dans le combustible et élevant la température suffisamment pour déclencher la réaction de fusion. Cette méthode est proposée comme étant plus efficace que les tentatives précédentes car les ions sont générés directement dans la couronne de plasma de la pastille compressée, réduisant ainsi la perte d'énergie et permettant un système d'ignition plus compact.

Peut-être la divergence la plus significative par rapport aux conceptions standards est le traitement de la paroi interne du réacteur. Dans la plupart des concepts de fusion, la première paroi est une barrière solide faite de métal ou de carbone qui absorbe la chaleur et les radiations de la réaction, finissant par être endommagée et nécessitant un remplacement fréquent. Chivel propose une première paroi transparente faite de verre de silice fondue. Ce verre est conçu pour laisser passer l'intense flux de neutrons et de rayons gamma de la réaction de fusion sans les absorber. Derrière cette paroi de verre circule une épaisse couche d'eau, qui sert de véritable absorbeur. Les neutrons ralentissent dans l'eau, transférant leur énergie sous forme de chaleur, qui peut ensuite être utilisée pour générer de l'électricité. Cette conception protège la structure de verre du choc thermique direct et des dommages radiatifs qui détruisent typiquement les parois solides, tout en capturant l'énergie efficacement grâce à l'eau.

Pour s'assurer que les ions à haute vitesse produits pendant la réaction ne frappent pas et n'endommagent pas la paroi de verre, le document introduit un bouclier magnétique unique créé par la lumière elle-même. En plaçant deux faisceaux annulaires dans deux cavités d'amélioration optique mutuellement perpendiculaires, le système forme un piège magnétique laser là où les faisceaux se croisent. Cette intersection génère un champ magnétique assez puissant pour dévier les particules chargées loin de la paroi et les maintenir confinées au centre du réacteur. Ce « confinement magnétique laser » agit comme une barrière invisible, protégeant la délicate structure de verre du plasma violent de l'événement de fusion. L'ensemble du système est conçu pour fonctionner avec un cycle thermodynamique à basse température, utilisant l'eau chauffée pour actionner des turbines, un choix qui privilégie la simplicité et la fiabilité par rapport aux températures extrêmes souvent associées aux autres concepts de fusion.

Le document présente ces idées comme un cadre théorique cohérent soutenu par des calculs et des simulations. L'auteur suggère que cette combinaison d'un réseau laser sphérique, d'un mécanisme d'impulsion déclenché par une pastille et d'une paroi de verre transparente avec refroidissement par eau pourrait surmonter les problèmes de symétrie et de durabilité qui ont entravé les conceptions précédentes. Bien que la proposition repose sur des principes établis de la physique des lasers et de la dynamique des plasmas, l'intégration spécifique de ces éléments dans une architecture de réacteur unique et simplifiée reste un concept à tester. Le travail ne prétend pas avoir construit le réacteur, mais offre plutôt un plan détaillé de la manière dont une telle machine pourrait être construite pour atteindre l'objectif tant recherché de l'énergie de fusion pratique.