Electrohydraulic Shock-Induced Plasma Pinch Dynamics and Fast Neutron Generation Using Novel Composite Refractory Electrodes
Cette étude démontre que des électrodes réfractaires composites fabriquées à partir de matrices de carbure de tungstène/hydrure de lithium-6 (ou de lithium-6 pur) consolidées par voie hydrostatique, lorsqu'elles sont soumises à des décharges de choc électrohydrauliques dans de l'eau lourde, génèrent des conditions de plasma extrêmes dépassant 100 GPa et 35 millions de Kelvin qui produisent un rendement mesurable de neutrons de 14,1 MeV et de cendres d'hélium, les configurations d'hydrure et métalliques de lithium présentant toutes deux des signatures nucléaires et thermiques équivalentes.
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Dans le monde extrême de la physique des hautes énergies, les chercheurs cherchent souvent à recréer les conditions présentes au cœur des étoiles ou à l'intérieur des armes nucléaires, mais à une échelle minuscule et contrôlée. Pour ce faire, ils doivent comprimer la matière si violemment qu'elle se transforme en plasma, un état hyperthermique où les atomes sont dépouillés de leurs électrons. Un moyen courant d'y parvenir consiste à envoyer une décharge électrique massive à travers un liquide, créant une onde de choc qui comprime le plasma résultant en un fil lumineux et serré. Ce processus, appelé « pincement » (pinch), génère une chaleur et une pression intenses, parfois assez élevées pour déclencher des réactions nucléaires. Le défi a toujours été de trouver des matériaux capables de survivre à l'explosion initiale de l'électricité sans s'effondrer, tout en contenant les ingrédients spécifiques nécessaires pour provoquer ces réactions nucléaires. Les scientifiques luttent depuis longtemps pour mélanger des céramiques dures et résistantes à la chaleur avec des éléments légers et volatils comme le lithium, car la chaleur provoque généralement leur séparation ou leur rupture avant même que l'expérience ne commence.
Une équipe de chercheurs de l'Ukraine et des États-Unis a désormais démontré un moyen de surmonter ces barrières en utilisant un nouveau type d'électrode composée d'un mélange spécialisé de carbure de tungstène et de lithium. Ils ont commencé par prendre des poudres de qualité industrielle de carbure de tungstène, un matériau célèbre pour sa dureté, et les ont mélangées à de l'hydrure de lithium-6, un composé contenant un isotope rare du lithium. Normalement, tenter de cuire ces deux éléments ensemble échouerait car le composé de lithium se vaporiserait bien avant que la céramique ne puisse fusionner. Cependant, l'équipe a utilisé une presse hydraulique massive pour comprimer le mélange sous une pression de 7,6 gigapascals tout en le chauffant. Cette pression extrême a agi comme un bouclier, empêchant le lithium de s'échapper et forçant les matériaux à fusionner en un bloc solide et nanostructuré, presque parfait, ne présentant quasiment aucun micro-vide interne. Ils ont créé deux versions de ces blocs : l'un contenant le composé d'hydrure de lithium et l'autre contenant du lithium métallique pur, simplement pour voir si la forme chimique du lithium importait.
Ces nouvelles électrodes ont ensuite été placées dans une chambre remplie d'eau lourde et soumises à une décharge soudaine d'électricité à haute tension de moins d'une microseconde. Lorsque l'électricité a frappé l'électrode, elle a instantanément vaporisé la surface, créant un canal de plasma qui a été immédiatement comprimé par son propre champ magnétique en un fil minuscule et super dense. Cette compression fut si violente qu'elle a généré des pressions dépassant les 100 gigapascals, soit plus d'un million de fois la pression de l'atmosphère terrestre. À l'intérieur de ce noyau minuscule et hyperchauffé, la température a grimpé jusqu'à environ 35 millions de degrés Kelvin. À ces températures, les atomes sont dépouillés de leurs électrons, et le plasma devient une soupe bouillonnante de particules chargées. Les chercheurs ont mesuré la lumière provenant de ce noyau et ont confirmé que les électrons se déplaçaient avec suffisamment d'énergie pour piloter des réactions nucléaires.
La découverte la plus significative est que ces réactions se sont réellement produites. Lorsque le plasma s'est formé, il a produit une salve de neutrons rapides, des particules subatomiques qui s'échappent à des vitesses incroyables. En mesurant le temps nécessaire à ces particules pour parcourir une courte distance, l'équipe a déterminé qu'elles possédaient une énergie d'environ 14,1 millions d'électron volts. Cette signature énergétique spécifique est la marque de fabrique d'une réaction de fusion entre le deutérium, une forme lourde d'hydrogène présente dans l'eau lourde, et le lithium-6 contenu dans l'électrode. L'expérience a produit environ 120 000 de ces neutrons à chaque impulsion. Pour confirmer que ces neutrons provenaient d'une réaction nucléaire et non d'un simple bruit aléatoire, l'équipe a également analysé le gaz laissé derrière elle dans la chambre après le tir. Ils y ont trouvé des preuves claires de la présence d'hélium-3 et d'hélium-4, les « cendres » ou sous-produits spécifiques qui doivent rester après la fusion du lithium et du deutérium.
Le résultat le plus surprenant fut peut-être que la forme chimique du lithium n'a pas modifié le résultat. Les chercheurs ont testé des électrodes fabriquées avec le composé d'hydrure de lithium et les ont comparées directement à des électrodes fabriquées avec du lithium métallique pur. Bien que l'une ait commencé sous forme de composé et l'autre sous forme de métal pur, les deux ont produit des résultats presque identiques. Elles ont généré les mêmes températures extrêmes, les mêmes pressions écrasantes et le même nombre de neutrons. Les données ont montré que la différence entre les deux matériaux était si infime qu'elle se perdait dans les variations naturelles de l'expérience. Cela suggère qu'une fois que l'onde de choc extrême frappe, les liaisons chimiques initiales du lithium se brisent si rapidement que le plasma se comporte de la même manière, qu'il ait commencé sous forme d'hydrure ou de métal.
L'étude a également révélé que ces nouveaux matériaux composites sont incroyablement durables. Lors d'expériences précédentes utilisant des matériaux standards à grains grossiers, les électrodes se brisaient ou se fissuraient souvent sous le stress thermique de la décharge. En revanche, ces nouvelles électrodes nanostructurées se sont érodées lentement et uniformément, perdant seulement environ un micron de matière par tir. Cette usure uniforme, plutôt qu'une rupture violente, prouve que le matériau peut supporter l'environnement brutal de la génération de plasma à haute énergie. Les chercheurs ont conclu qu'en utilisant la consolidation à haute pression pour créer ces composites uniques, ils ont réussi à construire un composant capable de survivre aux conditions extrêmes nécessaires pour déclencher des réactions de fusion nucléaire dans un environnement liquide. Ce travail ouvre une voie claire pour la création d'électrodes plus robustes pour les expériences de physique des hautes énergies, montrant que la forme initiale du lithium est moins importante que la capacité du matériau à survivre au choc initial et à maintenir sa structure sous une pression extrême.
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