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De nouvelles données traitent des lacunes dans la recherche sur la fusion – Technologik

Une nouvelle recherche de l'Université de Rochester permettra d'améliorer la précision des modèles informatiques utilisés dans la simulation d'implosions laser. La recherche, publiée dans la revue Nature Physique, aborde l’un des défis de la quête de longue date des scientifiques vers la fusion.

Dans les expériences de fusion par confinement par inertie (ICF) pilotées par laser, telles que celles menées au Laboratoire d'énergétique laser (LLE) de l'Université de Rochester, des faisceaux courts consistant en impulsions lumineuses intenses – des impulsions ne dépassant pas un milliardième de seconde – délivrent énergie nécessaire pour chauffer et comprimer une cible de piles à combustible à hydrogène. Idéalement, ce processus dégagerait plus d'énergie que celle utilisée pour chauffer le système.

Les expériences ICF pilotées par laser nécessitent que de nombreux faisceaux laser se propagent à travers un plasma – une soupe chaude d’électrons et d’ions en mouvement libre – pour déposer leur énergie de rayonnement précisément à la cible visée. Mais, en agissant de la sorte, les faisceaux interagissent avec le plasma de manière à compliquer le résultat recherché.

"ICF génère nécessairement des environnements dans lesquels de nombreux faisceaux laser se chevauchent dans un plasma chaud entourant la cible, et il est reconnu depuis de nombreuses années que les faisceaux laser peuvent interagir et échanger de l'énergie", déclare David Turnbull, scientifique de LLE et premier auteur de le papier.

Pour modéliser avec précision cette interaction, les scientifiques doivent savoir exactement comment l’énergie du faisceau laser interagit avec le plasma. Les chercheurs ont proposé des théories sur la manière dont les rayons laser altèrent un plasma, mais aucune n'a encore été démontrée expérimentalement.

À présent, les chercheurs du LLE, ainsi que leurs collègues du laboratoire national Lawrence Livermore en Californie et du Centre national de la recherche scientifique en France, ont directement démontré pour la première fois comment les rayons laser modifiaient les conditions du plasma sous-jacent, affectant le transfert d'énergie dans les expériences de fusion.

"Les résultats sont une excellente démonstration de l'innovation du laboratoire et de l'importance de développer une solide compréhension des instabilités laser-plasma pour le programme national de fusion", a déclaré Michael Campbell, directeur du LLE.

UTILISATION DE SUPER-ORDINATEURS POUR MODELER LA FUSION

Les chercheurs utilisent souvent des supercalculateurs pour étudier les implosions impliquées dans les expériences de fusion. Il est donc important que ces modèles informatiques décrivent avec précision les processus physiques impliqués, y compris l'échange d'énergie des faisceaux laser vers le plasma et, éventuellement, vers la cible.

Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques décrivant l'interaction mutuelle du faisceau laser impliquée dans les expériences de fusion par laser. Cependant, les modèles ont généralement supposé que l’énergie des faisceaux laser interagissait selon un type d’équilibre appelé distribution maxwellienne – un équilibre auquel on pourrait s’attendre dans l’échange en l’absence de lasers.

"Mais, bien sûr, les lasers sont présents", déclare Dustin Froula, scientifique senior au LLE.

Froula note que les scientifiques ont prédit il y a près de 40 ans que les lasers modifient de manière importante les conditions plasmatiques sous-jacentes. En 1980, une théorie a été présentée qui prédit ces fonctions de distribution non maxwelliennes dans les plasmas laser en raison du chauffage préférentiel des électrons lents par les faisceaux laser. Bedros Afeyan '89 (PhD), diplômé de Rochester, a prédit que les effets de ces fonctions de distribution des électrons non maxwelliennes modifieraient la manière dont l’énergie laser est transférée entre les faisceaux.

Mais faute de preuves expérimentales pour vérifier cette prédiction, les chercheurs ne l'ont pas prise en compte dans leurs simulations.

Turnbull, Froula et Avram Milder, étudiant diplômé en physique et en astronomie, ont mené des expériences à l'installation de laser Omega de la LLE pour effectuer des mesures extrêmement détaillées des plasmas chauffés au laser. Les résultats de ces expériences montrent pour la première fois que la distribution des énergies des électrons dans un plasma est affectée par leur interaction avec le rayonnement laser et ne peut plus être décrite avec précision par les modèles existants.

La nouvelle recherche valide non seulement une théorie de longue date, mais montre également que l'interaction laser-plasma modifie fortement le transfert d'énergie.

"De nouveaux modèles en ligne qui prennent mieux en compte les conditions plasmatiques sous-jacentes sont en cours de développement, ce qui devrait améliorer la capacité de prévision des simulations d'implosion intégrées", a déclaré M. Turnbull.

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