Construire vers une solution : les éléments d’une percée dans le domaine de la fusion«Moment des frères Wright» dans la recherche sur la fusion nucléaire lorsque 1,3 mégajoules d’énergie sont produites au National Ignition Facility par le Livermore Lab
Un laboratoire national a réalisé un «moment Wright Brothers» dans la fusion nucléaire
Le Lawrence Livermore National Lavatory a annoncé mardi une réalisation clé dans la recherche sur la fusion. La fusion , la réaction opposée la moins connue à la fission nucléaire, se produit lorsque deux atomes s’entrechoquent pour former un atome plus lourd et libérer de l’énergie. C’est ainsi que le soleil produit de l’énergie.
« Notre résultat est un pas en avant significatif dans la compréhension de ce qui est nécessaire pour que cela fonctionne. Pour moi, c’est un moment pour les frères Wright », a déclaré à CNBC Omar A. Hurricane , scientifique en chef du programme de fusion par confinement inertiel au laboratoire de Livermore, en Californie
Le laboratoire a annoncé mardi que le 8 août , il a produit 1,3 mégajoules d’énergie à son National Ignition Facility , bien que très brièvement.
Au National Ignition Facility, qui a la taille de trois terrains de football, des faisceaux laser superpuissants recréent des températures et des pressions similaires à celles des noyaux d’étoiles et de planètes géantes et à l’intérieur d’armes nucléaires qui explosent, a déclaré un porte-parole à CNBC.
Le 8 août, une lumière laser a été focalisée sur une cible de la taille d’un BB, ce qui a entraîné « un point chaud du diamètre d’un cheveu humain, générant plus de 10 quadrillions de watts de puissance de fusion pendant 100 billionièmes de seconde », indique la déclaration écrite.
Ce qui est essentiel, c’est que les résultats constituent « un pas significatif vers l’allumage », selon un communiqué du laboratoire .
« L’allumage est un point de basculement dans le processus de fusion où la fusion se réchauffe et submerge toutes les pertes de refroidissement qui peuvent se produire », a déclaré Hurricane à CNBC. « Une fois que cela se produit, un processus de rétroaction est généré où le chauffage crée plus de fusion, ce qui crée plus de chauffage, ce qui crée plus de fusion, et ainsi de suite. »
Arriver à l’endroit où une réaction de fusion produit plus d’énergie qu’elle n’en utilise, l’allumage, est en quelque sorte un Saint Graal pour les entreprises qui tentent de commercialiser la fusion et de la vendre comme source d’énergie propre.
Que l’expérience de Livermore ait été capable de le faire ou non – pour générer de « l’énergie nette » – est « compliqué parce que la réponse dépend de l’endroit où l’on commence à comptabiliser l’apport d’énergie », a déclaré Hurricane.
« L’essentiel est que très peu d’énergie entre dans le combustible de fusion par rapport à l’électricité que nous avons utilisée pour charger le laser », a déclaré Hurricane.
« En conséquence, il n’y a aucun gain d’énergie net par rapport à l’électricité que nous avons tirée pour faire les expériences. C’est l’une des raisons pour lesquelles je considère que notre programme n’est pas pratique pour la production d’énergie », a-t-il déclaré. « Cependant, l’énergie de fusion générée était d’environ 5 fois l’énergie absorbée par la capsule et environ 70% de l’énergie laser tirée sur la cible – ce sont les aspects importants. »
Les résultats n’ont pas été publiés dans une revue à comité de lecture, mais ce processus aura lieu, a déclaré le laboratoire. En règle générale, les annonces de nouvelles sont liées à des publications dans des revues à comité de lecture, mais « les nouvelles se répandaient en raison de l’ampleur de cette réalisation, nous avons donc estimé qu’il était important de publier les faits », a déclaré un porte-parole à CNBC.
La nouvelle représente certainement un progrès, mais elle ne signale pas un changement radical dans la façon dont l’énergie sera générée dans un avenir immédiat.
« L’expérience actuelle produit une grande quantité d’énergie … mais seulement pendant une très courte période … et à mesure que les rendements augmentent, des expériences comme celle-ci produiront plus d’énergie pendant de plus longues durées, des étapes importantes sur la voie de la production d’énergie commerciale, ce qui nécessiterait une production d’énergie positive nette pendant de longues durées », a déclaré Brett Rampal, directeur de l’innovation nucléaire pour le Clean Air Task Force, un groupe de réflexion sur la politique énergétique.
« Il reste encore un long chemin à parcourir », a déclaré Rampal.
Andrew Holland , le PDG de la Fusion Industry Association, a été enthousiasmé par l’annonce de mardi.
« Prouver l’allumage est le » Kitty Hawk Moment « pour l’énergie de fusion », a déclaré Holland à CNBC.
« Cela prouvera que nous pouvons libérer l’énergie de fusion pour la production d’électricité sur Terre », a déclaré Holland. « Cela fournira une compréhension scientifique approfondie du fonctionnement de la fusion, et cela aidera tous les développeurs de fusion à mieux construire leurs centrales électriques. »
Hurricane, cependant, était plus prudent quant à la vision de la fusion comme une réponse à un besoin d’énergie propre.
« Bien que notre équipe soit très enthousiaste à propos de ce résultat, car il s’agit d’une réalisation scientifique/technique durement acquise, je ne le vois pas comme étant utile pour une source d’énergie propre. L’apprentissage de notre résultat peut cependant être pertinent », a déclaré Hurricane à CNBC.
« Je suis très préoccupé, en général, par le fait que la fusion soit présentée comme une solution au changement climatique », a-t-il déclaré. « Mon opinion personnelle est que l’énergie de fusion est encore une technologie future, il serait donc insensé que les gens parient la planète sur la fusion pour répondre aux préoccupations climatiques immédiates. »
Il convient également de noter que la recherche au National Ignition Facility du laboratoire de Livermore fait partie du programme de gestion des stocks , un effort gouvernemental né en 1995 pour étudier les armes nucléaires vieillissantes sans essais nucléaires.
« L’une des visions originales du NIF était qu’il se substitue aux essais nucléaires souterrains, en gardant les scientifiques de l’armement attachés à la réalité de l’expérience afin que la nation puisse compter sur leurs compétences, leurs connaissances et, surtout, leur jugement », a déclaré Hurricane. « Ce nouveau résultat contribue à soutenir cette vision. »
L’expérience du NIF place les chercheurs au seuil de l’allumage par fusion
Une expérience du 8 août au NIF a fait un pas significatif vers l’allumage, atteignant un rendement de plus de 1,3 mégajoules (MJ). Cette avancée place les chercheurs au seuil de l’allumage par fusion, un objectif important du NIF, et ouvre l’accès à un nouveau régime expérimental.
L’expérience a été rendue possible en concentrant la lumière laser du NIF – la taille de trois terrains de football – sur une cible de la taille d’un BB qui produit un point chaud du diamètre d’un cheveu humain, générant plus de 10 quadrillions de watts de puissance de fusion pendant 100 billionièmes de seconde.« Ces résultats extraordinaires du NIF font progresser la science dont dépend la NNSA pour moderniser nos armes et notre production nucléaires, ainsi que pour ouvrir de nouvelles voies de recherche », a déclaré Jill Hruby, sous-secrétaire du DOE pour la sécurité nucléaire et administratrice de la NNSA.
La mission centrale du NIF est de fournir des informations expérimentales et des données pour le programme scientifique de gestion des stocks (SSP) de la NNSA. Les expériences de poursuite de l’allumage par fusion sont une partie importante de cet effort. Ils fournissent des données dans un régime expérimental important qui est extrêmement difficile d’accès, approfondissant notre compréhension des processus fondamentaux de l’allumage et de la combustion par fusion, et améliorant nos outils de simulation pour soutenir la gestion des stocks. L’allumage par fusion est également une porte d’entrée importante pour permettre l’accès à des rendements de fusion élevés à l’avenir.
« Ce résultat est une avancée historique pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel (ICF), ouvrant un régime fondamentalement nouveau pour l’exploration et l’avancement de nos missions critiques de sécurité nationale », a déclaré le directeur du LLNL, Kim Budil. « Cela témoigne également de l’innovation, de l’ingéniosité, de l’engagement et du courage de cette équipe et des nombreux chercheurs dans ce domaine au fil des décennies qui ont résolument poursuivi cet objectif.
Bien qu’une interprétation scientifique complète de ces résultats se produise par le biais du processus de revue/conférence à comité de lecture, l’analyse initiale montre une amélioration de 8 fois par rapport aux expériences menées au printemps 2021 et une augmentation de 25 fois par rapport au rendement record du NIF en 2018 .
« L’accès expérimental à la combustion thermonucléaire en laboratoire est l’aboutissement de décennies de travaux scientifiques et technologiques s’étendant sur près de 50 ans », a déclaré le directeur du laboratoire national de Los Alamos, Thomas Mason. « Cela permet des expériences qui vérifieront la théorie et la simulation dans le régime de haute densité d’énergie plus rigoureusement que jamais auparavant et permettront des réalisations fondamentales en sciences appliquées et en ingénierie. »
L’expérience s’est appuyée sur plusieurs avancées acquises grâce aux connaissances développées au cours des dernières années par l’équipe du NIF, notamment de nouveaux diagnostics ; cibler les améliorations de fabrication dans le hohlraum, l’enveloppe de la capsule et le tube de remplissage ; précision laser améliorée; et des changements de conception pour augmenter l’énergie couplée à l’implosion et la compression de l’implosion.
« Cette avancée significative », a déclaré Mark Herrmann, directeur adjoint du programme LLNL pour la physique fondamentale des armes, « n’a été rendue possible que par le soutien soutenu, le dévouement et le travail acharné d’une très grande équipe pendant de nombreuses décennies, y compris ceux qui ont soutenu l’effort au LLNL, les partenaires industriels et universitaires, et nos collaborateurs du Laboratoire national de Los Alamos et des Laboratoires nationaux de Sandia, du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester et de General Atomics. Ce résultat s’appuie sur le travail et les succès de toute l’équipe, y compris les personnes qui ont poursuivi la fusion par confinement inertiel depuis les premiers jours de notre laboratoire. Ils devraient également partager l’excitation de ce succès.
Construire vers une solution : les éléments d’une percée dans le domaine de la fusion
Premier d’une série d’articles décrivant les aspects de l’expérience record de 1,35 mégajoule du National Ignition Facility.
Partie 2 : « Les expériences « hybrides » conduisent le NIF vers l’allumage »
Partie 3 : « Les diagnostics NIF ont joué un rôle clé dans Fusion Milestone »
Partie 4 : « Capture d’énergie record du NIF avec capsule de diamant de haute qualité »
Partie 5 : « Les améliorations du laser ont contribué à l’expérience Record Fusion »
Partie 6 : « Les modèles et les simulations aident à tracer le chemin du NIF vers l’allumage »
S’il faut un village pour élever un enfant, il faut une communauté internationale de scientifiques, d’ingénieurs, de techniciens et de nombreux autres contributeurs pour créer une expérience de fusion par confinement inertiel (ICF) capable de produire plus de 1,3 million de joules d’énergie de fusion.
L’expérience record du 8 août 2021 sur le National Ignition Facility (NIF), le système laser le plus grand et le plus énergétique au monde, a été l’aboutissement d’années de recherche et de développement dans les domaines des lasers, de l’optique, des diagnostics, de la fabrication de cibles, de la conception expérimentale et de la modélisation et de la simulation informatiques.
« C’est un moment des frères Wright. Notre résultat est un pas en avant significatif dans la compréhension de ce qui est nécessaire pour que la fusion fonctionne.
—Omar Hurricane, scientifique en chef de l’ICF
Ces avancées ont amené les chercheurs au seuil d’inflammation, tel que défini par la National Academy of Science et la National Nuclear Security Administration (NNSA), où une implosion NIF produit plus d’énergie de fusion que la quantité d’énergie laser délivrée à la cible. Ce résultat permet d’accéder à un nouveau régime expérimental pour le domaine de la science à haute densité d’énergie (HED) et du programme d’intendance des stocks basé sur la science .
En tirant ses 192 lasers à haute énergie dans une cible de fusion de la taille d’une gomme à crayon, le NIF est capable de produire des températures de plus de 100 millions de degrés Kelvin et des pressions de centaines de milliards d’atmosphères terrestres – des conditions que l’on ne trouve qu’au centre des étoiles massives et dans l’explosion d’armes nucléaires.
Le coup record était le dernier d’une série d’expériences à rendement énergétique progressivement plus élevé sur NIF, chacune s’appuyant sur des expériences réussies antérieures avec une variété de tactiques précédemment démontrées, des progrès dans la fabrication de cibles et la technologie laser, et une nouvelle compréhension tirée des données d’expériences passées et de technologies de mesure et de simulation de plus en plus sophistiquées.
La percée remarquable de 1,35 mégajoule (MJ) a été rendue possible par les contributions de toutes les facettes des équipes NIF & Photon Science and Weapons and Complex Integration (WCI) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), des collègues de tout le LLNL et des partenaires des communautés scientifiques mondiales de la fusion, du plasma et du HED.
« Une quantité incroyable de travail d’équipe nous a amenés à ce point », a déclaré l’ancien directeur du NIF, Mark Herrmann, maintenant directeur du programme de physique et de conception des armes de WCI, « de la conception de la fusion par confinement inertiel il y a 60 ans dans le travail révolutionnaire de (l’ancien directeur du LLNL) John Nuckolls au développement d’une série de lasers, à l’avancement de l’optique, aux progrès de la fabrication de cibles, aux progrès des simulations informatiques, à l’avancement des conceptions, à la compréhension de la science et à la mise en place des diagnostics qui nous permettent de les mesurer. événements extraordinaires » .
Bon nombre de ces avancées ont été soutenues par le financement des programmes de recherche et développement dirigés par les laboratoires (LDRD) du LLNL et d’autres laboratoires de la NNSA.
Parmi les principales améliorations :
- Des conceptions expérimentales innovantes ont augmenté la taille de la capsule cible, réduit l’ouverture des trous d’entrée du laser et prolongé la durée de l’impulsion laser, atteignant des niveaux record d’énergie couplée au point chaud au centre de la capsule cible.
- Des téraoctets de données provenant de la suite de dizaines de diagnostics nucléaires, de rayons X et optiques de pointe du NIF ont disséqué tous les aspects des plus de 170 expériences d’allumage menées depuis 2011, faisant des implosions du NIF parmi les expériences HED les mieux diagnostiquées au monde. Ces données ont été analysées pour fournir des informations et mieux comprendre les précédentes implosions de l’ICF et pour améliorer la capacité prédictive des modèles informatiques. Les données des expériences passées ont également aidé les chercheurs à comprendre et à surmonter les obstacles à l’amélioration des performances d’implosion.
- La modélisation et la simulation améliorées basées sur l’expérience ont aidé à façonner les nouvelles conceptions expérimentales. Des codes informatiques ont été utilisés pour concevoir, optimiser, construire et expérimenter sur le terrain tout en améliorant continuellement la compréhension des mécanismes multiphysiques clés. Le cliché du 8 août a également bénéficié d’un modèle simplifié basé sur des données pour guider les choix de conception.
- Les progrès de la métrologie et de la fabrication de cibles sur mesure ont abouti au déploiement de la cible en carbone (diamant) haute densité de la plus haute qualité , en termes de défauts de surface et internes et de contamination indésirable, encore utilisée sur NIF.
- Les améliorations de la fidélité des modèles laser, de la précision du diagnostic laser, de la qualité du faisceau et de la symétrie, associées à des optiques de plus en plus robustes, ont permis au laser de fonctionner à son niveau d’énergie et de puissance soutenu le plus élevé à ce jour , aidant à augmenter la pression et la température dans le point chaud.
À la poursuite de l’allumage : une décennie de progrès
Le chemin du NIF vers l’allumage a été construit sur une décennie d’avancées par les chercheurs du LLNL et leurs collaborateurs, sous la direction du directeur du programme ICF John Edwards, du directeur associé du programme pour ICF Science Richard Town, du scientifique en chef de l’ICF Omar Hurricane, du chef de la division associée du programme ICF Debbie Callahan et du chef du groupe du programme d’expérimentations ICF Nino Landen ainsi que de nombreux autres. Ils ont guidé l’équipe pour aborder et résoudre progressivement un large éventail de défis qui avaient limité les performances d’implosion du NIF. Edwards et son équipe ont travaillé en étroite collaboration avec une équipe de direction du NIF qui comprenait Herrmann, l’ancien directeur du NIF Doug Larson, l’ancien directeur du programme de fabrication cible Abbas Nikroo, le directeur des installations du NIF Bruno Van Wonterghem et bien d’autres.
« Tout ce travail n’a été possible que grâce aux efforts et aux réalisations des incroyables équipes qui ont conçu et construit le NIF et jeté les bases scientifiques de cette avancée », a déclaré Herrmann.
Parmi les problèmes auxquels ils ont été confrontés figuraient les instabilités des fluides, les asymétries d’implosion, la contamination du carburant par le matériau de la capsule cible, les pertes radiatives, la rétrodiffusion laser et la production d’électrons chauds, ainsi que les instabilités causées par des caractéristiques techniques telles que les « tentes » qui soutiennent la capsule cible dans le hohlraum et les minuscules tubes utilisés pour remplir la capsule de carburant. Les chercheurs ont mené des dizaines de campagnes expérimentales parallèles pour surmonter ces obstacles, établissant des blocs de construction ou des « camps de base » semblables à ceux utilisés par les alpinistes.
Les expériences d’allumage du NIF ont commencé en 2011 dans le cadre de la campagne nationale d’allumage (NIC) de la NNSA, qui s’est terminée le 30 septembre 2012. La campagne avait deux objectifs principaux : développer une plate-forme pour l’allumage et les applications scientifiques HED (y compris la fabrication de cibles et de diagnostics) et faire passer le NIF aux opérations de routine en tant que principale installation d’utilisateurs scientifiques HED au monde.
Au cours de la campagne, les chercheurs du NIF ont régulièrement augmenté l’énergie et la puissance du laser , culminant le 5 juillet 2012, lorsque les 192 faisceaux du système laser ont délivré plus de 1,8 mégajoules de lumière ultraviolette et plus de 500 billions de watts de puissance au centre de la chambre cible.
2011-2012 : les expériences NIC ont produit des rendements de fusion de seulement quelques kilojoules, bien inférieurs aux prévisions des modèles informatiques. Les implosions étaient instables et asymétriques, avec un niveau élevé d’interactions laser-plasma (LPI) consommatrices d’énergie. Bien que l’allumage n’ait pas été atteint, un grand nombre de connaissances scientifiques et de nouvelles capacités majeures d’expérimentation, de diagnostic, de modélisation et de fabrication de cibles ont été développées et validées qui ont aidé à guider les expériences ultérieures.Par exemple, les chercheurs ont découvert qu’une légère modification de la longueur d’onde de certains faisceaux laser pouvait contrôler l’échange d’énergie entre les faisceaux lorsqu’ils pénétraient dans les trous d’entrée du laser, un effet connu sous le nom de transfert d’énergie à faisceaux croisés (CBET), une cause majeure d’asymétrie. Des diagnostics clés, tels que le système d’interféromètre de vitesse pour tout réflecteur (VISAR), le spectromètre à rayons X à bandes (NXS) et l’ imageur à rayons X à dilatation (DIXI), capable d’acquérir 200 milliards d’images par seconde, ont été mis en place pour capturer chaque détail des implosions NIF, avec de nombreux autres diagnostics de pointe à suivre.
2013-2015 : Avec l’introduction de la conception « à pied haut » – qui a augmenté la puissance du premier étage, ou pied, de l’impulsion laser et raccourci la durée de l’impulsion – la stabilité a été améliorée et le mélange du matériau de la capsule avec le combustible de fusion a été réduit, mais au prix d’une compression plus faible. Pourtant, les implosions à pied élevé ont été les premières à démontrer un réchauffement alpha significatif – où l’énergie générée par les réactions de fusion dépassait la quantité d’énergie déposée dans le combustible de fusion et le point chaud par l’implosion, une condition connue sous le nom de gain de combustible.
Dans le chauffage alpha, les particules alpha (noyaux d’hélium) produites dans le point chaud central de la capsule cible déposent leur énergie dans le combustible froid deutérium-tritium (DT) entourant le point chaud, chauffant le combustible, augmentant le taux de réactions de fusion et produisant plus de particules alpha. Ce processus de « bootstrapping » est le mécanisme nécessaire pour accélérer le taux de combustion par fusion DT jusqu’à une éventuelle combustion par fusion auto-entretenue, connue sous le nom de « plasma brûlant », et d’allumage. Les expériences à pied haut ont atteint environ 25 kilojoules de rendement, soit le double du rendement qui aurait été obtenu sans chauffage alpha.
2016-2018 : Hurricane et Callahan, co-leaders de la campagne High-foot, ont été installés en tant que co-leaders pour les expériences intégrées. Les chercheurs ont commencé à utiliser des capsules de carbone haute densité (HDC), ou de diamant, au lieu des capsules en plastique utilisées auparavant; Les expériences HDC et « Bigfoot » avec ces capsules ont réduit le LPI, amélioré la symétrie, augmenté la vitesse d’implosion et plus que doublé le rendement énergétique à environ 55 kilojoules (voir « NIF Experiments Close In on Burning Plasma » ).
L’équipe de Target Fabrication s’est efforcée de réduire la taille des tubes de remplissage et de trouver des remplacements pour les tentes . Les chercheurs ont réduit la quantité d’hélium gazeux dans les hohlraums pour augmenter l’énergie absorbée par la capsule cible et le point chaud central en réduisant les pertes par rétrodiffusion et la production d’électrons chauds. Cela les a obligés à se familiariser avec le contrôle de la symétrie du couplage d’énergie laser dans un nouveau régime de hohlraum. Des études ont également commencé sur l’utilisation de différentes formes de hohlraum, telles que le Rugby , I-Raum et Frustraum , destinées à améliorer la symétrie d’implosion et à augmenter le couplage énergétique
Pour renforcer la compréhension, les diagnostics du NIF, associés aux progrès rapides de la modélisation et de la simulation informatiques, ont fourni des informations détaillées sur tous les aspects de l’implosion, de la lumière laser incidente et rétrodiffusée au lecteur de rayons X fourni par le hohlraum (voir, par exemple, « Les diagnostics nucléaires aident à ouvrir la voie à l’allumage sur le NIF » ) . Le moment des chocs pour comprimer la cible, l’uniformité de la capsule lors de son implosation et les conditions du plasma à l’approche de la décompression ou de la stagnation ont fourni des informations clés sur les résultats expérimentaux.
En 2017, des chercheurs, dirigés par Callahan et Hurricane, ont lancé une série d’expériences « hybrides » appelées Hybrid-B, C, D et E. Les expériences combinent des aspects des conceptions expérimentales précédentes les plus réussies et une nouvelle compréhension avec de nouvelles conceptions de cibles qui associent des capsules plus grandes avec des hohlraums plus petits ou reconfigurés, ainsi que de nouvelles formes d’impulsions laser visant à améliorer la température de rayonnement dans le hohlraum.
Les expériences hybrides ont grandement bénéficié des améliorations continues de la technologie laser , y compris des augmentations constantes de l’énergie et de la puissance laser rendues possibles par des années de travail pour renforcer l’optique du NIF contre les dommages causés par le laser. Le développement du code Virtual Beam Line++ , qui calcule la diffraction de la lumière, l’amplification et d’autres comportements de la lumière laser, permet aux scientifiques de calibrer les distorsions dans les faisceaux laser et de fournir la forme d’impulsion précise requise par les expérimentateurs. D’autres mises à niveau, telles que l’automatisation des activités manuelles chronophages, un système d’alignement laser avancé, une suite intégrée d’outils en ligne et des méthodes pour glaner plus de données à partir d’un tir, ont régulièrement augmenté le taux de génération de données.
2019-2020 : Avec le début du programme « Hybrid-E »en 2019, sous la direction de la designer principale Annie Kritcher et de l’expérimentateur principal Alex Zylstra, les chercheurs ont fait des progrès significatifs en couplant plus d’énergie à la cible pour améliorer la compression et la pression et la température du point chaud. Une expérience en juin 2019 a testé de grandes capsules de diamant dans des hohlraums compacts dans des conditions d’allumage (énergie laser élevée et vitesse d’implosion). Le tir a utilisé CBET, autrefois un handicap, pour contrôler les asymétries causées par la plus grande capsule et le faible remplissage en gaz. L’expérience a considérablement amélioré l’énergie absorbée par la capsule des tirs records du NIF à partir de l’été 2017 – de 150 à 200 kilojoules à plus de 270 kilojoules – tout en maintenant la bonne symétrie et la vitesse élevée nécessaires à une implosion réussie. Des gains de couplage similaires mais légèrement inférieurs ont été obtenus dans la campagne I-Raum tester des implosions à plus petite échelle.
Les technologies avancées de diagnostic et de simulation ont considérablement amélioré la compréhension des sources de dégradations par implosion, en particulier les asymétries et la contamination du carburant, ou «mélange». Une série d’expériences menées en 2019 a testé la théorie selon laquelle l’inclusion de différents types et quantités de dopants dans l’enveloppe de la capsule pourrait aider à contrôler l’instabilité et à réduire le mélange. Les résultats ont été enregistrés à l’aide de la « super caméra » CBI/SLOS de NIF , l’imageur à rétroéclairage en cristal associé à la caméra à ligne de visée unique.
De plus, l’équipe Target Fabrication a développé de nouveaux outils de métrologie et de fabrication et a testé différentes structures cristallines de carbone dans le but de réduire considérablement les défauts de surface et de sous-surface, appelés « fosses » et « vides », et les variations d’épaisseur dans les plus grandes capsules cibles en diamant nécessaires pour les expériences hybrides.
Les progrès se sont accélérés en novembre 2020, lorsque les expériences Hybrid-E et I-Raum ont atteint pour la première fois un état de plasma brûlant , produisant un rendement énergétique d’environ 100 kilojoules, soit près du double du record précédent. Une implosion Hybrid-E à haute vitesse avec une impulsion laser prolongée a généré des pressions de point chaud d’environ 300 gigabars (300 milliards d’atmosphères).
2021-2022 : Le 7 février 2021, une expérience Hybrid-E a atteint un rendement de fusion de 6 × 10 16 (60 quadrillions) neutrons et 170 kilojoules d’énergie de fusion, soit une augmentation de 70 % par rapport aux résultats de novembre. Des expériences utilisant le I-Raum ont obtenu des rendements similaires.
Atteindre une étape majeure
Puis vint le coup record du 8 août 2021, hybride-E. Les facteurs clés du succès de l’expérience comprenaient la réduction de l’ouverture des trous d’entrée du laser du hohlraum pour limiter les pertes d’énergie; réduire sensiblement les défauts dans la capsule cible ; diminuer la taille du tube de remplissage de cinq à deux microns ; et prolonger l’impulsion laser pour maintenir efficacement l’implosion ensemble plus longtemps et concentrer plus d’énergie dans le point chaud (voir « Anatomie d’une expérience marquante » ).
Dans l’expérience, le chauffage alpha a déclenché des réactions de fusion qui se sont propagées à travers le combustible dans une onde de combustion thermonucléaire auto-entretenue, consommant près de 2 % du combustible. Le tir a produit un nombre sans précédent de 4,8 × 10 17 (480 quadrillions) de neutrons et plus de 10 quadrillions de watts de puissance de fusion pendant environ 100 billionièmes de seconde. Le rendement énergétique de fusion de 1,35 mégajoule était huit fois supérieur à celui de l’expérience de février et 25 fois le record établi en 2018.
« C’est un moment pour les frères Wright », a déclaré Hurricane. « Notre résultat est un pas en avant significatif dans la compréhension de ce qui est nécessaire pour que (la fusion) fonctionne. L’énergie de fusion générée était d’environ cinq fois l’énergie absorbée par la capsule et environ 70% de l’énergie laser tirée sur la cible. Nous avons décollé un instant.
Le résultat du 8 août a été soigneusement analysé et d’autres expériences ont été menées à l’automne 2021 et jusqu’en 2022. Les objectifs étaient d’améliorer la capacité des chercheurs à prédire les performances futures et d’évaluer les augmentations de l’énergie et de la puissance du NIF pour générer des rendements encore plus élevés.
Ces efforts ont porté leurs fruits avec le tir d’allumage du 5 décembre 2022 qui a produit 3,15 MJ d’énergie de fusion à partir d’un apport d’énergie laser de 2,05 MJ, soit plus que le double du rendement de l’expérience du 8 août.
« Cela a été un défi incroyable », a déclaré Edwards. « Tant de problèmes extrêmement difficiles ont dû être compris et surmontés dans l’ensemble du système pour arriver à ce point. À peu près à chaque étape, nous poussions et élargissions les limites du possible.
« L’inventivité et l’engagement des nombreuses personnes au fil des décennies qui ont rendu cela possible ne cessent de m’étonner », a-t-il ajouté. « Ce fut un privilège de partager un voyage aussi remarquable. C’est un grand pas pour l’avenir du programme de gestion des stocks.
Soutenir la réserve
L’expérience de seuil a été une étape importante pour le rôle du NIF dans le programme scientifique de gestion des stocks de la NNSA , qui a été créé dans les années 1990 pour assurer la fiabilité et la sécurité de la dissuasion nucléaire américaine sans avoir besoin d’essais à grande échelle.![PDF] Laser nuclear fusion: current status, challenges and prospect | Semantic Scholar](https://d3i71xaburhd42.cloudfront.net/586a68c62f498ba139dc6e7fcb34987ebcbe7445/3-Figure1-1.png)
Herrmann a déclaré que l’accès à ce nouveau régime expérimental aidera les scientifiques de l’armement à tester et à affiner les modèles informatiques qu’ils utilisent pour mieux comprendre et évaluer les performances des armes nucléaires vieillissantes du stock. Les rendements plus élevés peuvent également contribuer aux applications à court terme soutenant le programme de modernisation nucléaire de la NNSA et les études de capacité de survie nucléaire, améliorer la compréhension du processus de combustion thermonucléaire et accroître la confiance dans le développement d’une future installation à haut rendement pour soutenir la gérance.
« C’est un régime vers lequel nous travaillons depuis très longtemps », a déclaré Herrmann. « C’est un changement massif non seulement pour notre programme, mais aussi pour le programme national (d’intendance). C’est vraiment un témoignage de ce Lab et de nos partenariats avec de nombreux partenaires externes.
Le directeur du LLNL, Kim Budil, a déclaré que le résultat « ouvre la porte à de nouvelles applications NIF passionnantes pour soutenir la gestion des stocks, nous permet d’étudier des plasmas à combustion robuste pour la première fois depuis la fin des essais souterrains et crée de nouvelles possibilités pour obtenir des rendements de fusion beaucoup plus élevés sur NIF. « 
« Il y a beaucoup plus à apprendre, beaucoup plus à penser, beaucoup plus d’expériences à faire », a déclaré Herrmann. « Il est difficile d’imaginer une période plus excitante pour ce programme. »
Avec les participants du LLNL, les chercheurs ont attribué le succès de l’expérience à des collaborateurs des laboratoires nationaux de Los Alamos et Sandia, de General Atomics, du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester, du site de sécurité nationale du Nevada, du ministère de l’Énergie et de la NNSA, de la communauté universitaire, notamment du MIT et de Princeton, et de partenaires internationaux, dont l’Atomic Weapons Establishment du Royaume-Uni et la Commission française des énergies alternatives et de l’énergie atomique. 
Alex Zylstra et Annie Kritcher dans le NIF Target Bay avec une cible Hybrid-E. 
https://lasers.llnl.gov/news/building-to-a-solution-elements-of-a-fusion-breakthrough
https://www.cnbc.com/2021/08/17/lawrence-livermore-lab-makes-significant-achievement-in-fusion.html
https://lasers.llnl.gov/news/nif-experiment-puts-researchers-threshold-fusion-ignition
https://edition.cnn.com/2023/05/12/us/fusion-energy-livermore-lab-climate/index.html
https://www.iasparliament.com/current-affairs/gs-iii/breakthrough-in-nuclear-fusion-energy