Une étude américaine montre que l'implosion par fusion inertielle peut tolérer une certaine asymétrie

Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aux États-Unis ont récemment découvert que les conceptions d'implosion destinées à l'énergie de fusion par confinement inertiel (IFE) peuvent tolérer des défauts considérables avant que leurs performances ne chutent brutalement. Ce résultat contribuera à la conception des cibles de combustible pour les futures centrales à fusion, en particulier à l'évaluation de la tolérance aux erreurs des pastilles dans des conditions d'injection à haute fréquence et de pilotage par laser.

Les simulations de cette étude montrent la densité (en haut) et la température (en bas) à l'instant précédant le pic de la réaction de fusion dans une implosion asymétrique. Le point le plus chaud coïncide avec le point de densité de combustible la plus élevée, indiquant un allumage direct du jet de combustible à haute densité sous l'effet de l'asymétrie. Cette image a récemment été sélectionnée pour la couverture de la revue Physics of Plasmas. Crédit image : Lawrence Livermore National Laboratory

La recherche associée, intitulée « Robustesse des implosions liées à l'énergie de fusion par confinement inertiel face aux asymétries de bas mode », a été publiée dans Physics of Plasmas. L'étude est dirigée par le physicien Timothy Johnson du Lawrence Livermore National Laboratory, avec la participation de Daniel Casey, Chris Weber, Omar Hurricane, Ryan Nora et Seth Davidovits.

L'équipe de recherche s'est concentrée sur l'impact des mécanismes de dégradation tels que l'asymétrie et le mélange du combustible sur les implosions pour l'énergie de fusion par confinement inertiel. Johnson a indiqué que les futures centrales à fusion devront produire de l'énergie de manière stable et prévisible en fonctionnement continu. Si chaque implosion subit des pertes de rendement dues à des défauts, le coût de production d'électricité augmentera en conséquence.

Contrairement aux expériences uniques et finement contrôlées réalisées sur la National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis, les futures centrales à fusion pourraient nécessiter le tir de plusieurs pastilles de combustible par seconde, injectées rapidement à des positions désignées. Dans un tel environnement opérationnel, de légers écarts lors de l'irradiation laser de pastilles en mouvement rapide sont presque inévitables, d'où la nécessité de définir les limites de performance des implosions soumises à un pilotage asymétrique.

Les chercheurs ont utilisé des simulations bidimensionnelles d'hydrodynamique radiative pour mettre à l'échelle la conception ayant permis le premier allumage de la NIF en un schéma de pastille capable de produire environ 30 mégajoules d'énergie, puis ont introduit progressivement des asymétries contrôlées, c'est-à-dire des non-uniformités dans l'irradiation de la pastille par le rayonnement de pilotage, afin d'observer les variations de performance de l'implosion.

Les résultats des simulations montrent qu'avec l'augmentation de l'asymétrie, le rendement de fusion ne diminue pas lentement, mais reste essentiellement stable jusqu'à un seuil critique. Une fois ce seuil dépassé, les performances chutent soudainement et la pastille ne parvient plus à s'allumer. Les chercheurs décrivent ce changement comme le franchissement d'une frontière de type « falaise ».

Johnson explique que le point chaud au centre de l'implosion est la région de combustible à haute température où la réaction de fusion commence. L'asymétrie extrait de l'énergie du point chaud, provoquant une expansion plus précoce de la pastille et réduisant le temps disponible pour l'allumage. Si la conception dispose d'une marge suffisante, le point chaud peut encore atteindre les conditions d'allumage avant la désintégration de la pastille ; mais une fois la marge épuisée, le rendement s'effondre rapidement plutôt que de décliner progressivement.

L'étude montre également qu'il existe un compromis entre le rendement et la robustesse. Les futures centrales à fusion pourraient, lors des phases de démarrage et de mise au point, adopter d'abord des schémas d'implosion à rendement plus faible mais à plus grande tolérance aux erreurs ; puis, à mesure que l'identification et le contrôle des sources d'asymétrie s'améliorent, passer à des conceptions à rendement plus élevé mais à plage de tolérance plus étroite.

Johnson a indiqué que le degré d'asymétrie qu'une véritable centrale à fusion par confinement inertiel pourrait introduire reste à étudier, car cela implique des conditions complexes telles que l'injection de pastilles en rotation et des tirs laser à une fréquence pouvant atteindre 10 fois par seconde. L'équipe de recherche prévoit ensuite de relier ce cadre de robustesse aux caractéristiques observées dans les implosions réelles de la NIF, notamment les schémas de distribution de luminosité dans les images neutroniques, et d'évaluer plus avant si l'implosion présente une tolérance similaire lorsque le combustible se mélange aux matériaux de la pastille environnante.