La Fusion par confinement inertiel

Pour le Laser Mégajoule (comme pour son équivalent américain le NIF, National Ignition
Facility) ; c’est la Fusion par confinement inertiel (FCI) obtenue par attaque indirecte avec allumage par point chaud central qui est retenue.
L’énergie du LMJ, de l’ordre du Mégajoule, a été calculée de façon à atteindre l’ignition avec un gain de 10 entre l’énergie produite par les réactions thermonucléaires et l’énergie laser fournie à la cible.

Mise en place de la chambre d'expériences du LMJ fin 2006. © CEA

La maîtrise des réactions de fusion est un des grands défis scientifiques du XXI^ème siècle. La réaction la plus étudiée est la fusion du deutérium (D) et du tritium (T), deux isotopes de l’hydrogène, qui en fusionnant vont former un noyau d’hélium et émettre un neutron très énergétique.

Ce phénomène ne peut avoir lieu que dans des conditions de température et de pression extrêmement élevées.

Pour cela, deux types d’expériences sont réalisées en laboratoire :

• La fusion par confinement magnétique utilisant une installation de type « tokamak », comme Tore Supra aujourd'hui et Iter demain, qui va produire un plasma de faible densité durant un temps assez long.
• La Fusion par confinement inertiel (FCI) utilisant des lasers de puissance comme le Laser Mégajoule ou son équivalent américain, le NIF, qui vont produire un plasma très dense mais de très courte durée.

Principe de la FCI

Pour produire des réactions de fusion à partir d’un mélange DT contenu dans un microballon, il faut, en un temps très bref, comprimer ce mélange jusqu’à une densité de quelques centaines de grammes par centimètre cube, et le chauffer à une température de 10 millions de degrés.

Pour cela, on utilise l’effet « fusée » : une fusée acquiert sa vitesse grâce à l’expulsion violente des gaz issus du moteur à réaction. De la même façon, on cherche à vaporiser très rapidement la partie externe du microballon. Par réaction, le reste du microballon va se déplacer vers le centre comprimant le mélange DT contenu à l’intérieur. Des températures très élevées sont atteintes au centre (point chaud) et les réactions de fusion se déclenchent. Le point chaud se comporte comme une allumette et va enflammer le reste du « combustible » DT.

Schéma direct ou indirect ?

Deux méthodes sont utilisées pour faire imploser très rapidement le microballon :

• 
  Animation de l’implosion du microballon en attaque indirecte, l'ensemble du processus dure 20 milliardièmes de seconde. © CEA
  L’attaque directe
  Le laser vient directement délivrer son énergie au microballon, il y a interaction directe entre le faisceau laser et le microballon contenant le mélange DT.
• L’attaque indirecte
  Les faisceaux laser sont dirigés sur les parois internes du cylindre d’or contenant le microballon afin de produire un rayonnement X intense. Le rayonnement est ainsi piégé au sein de cette cavité dont la température peut atteindre plusieurs millions de degrés. C’est le rayonnement X qui interagit avec le microballon.

Allumage rapide ou par point chaud central ?

• Par allumage par point chaud central
  La zone centrale, chauffée et comprimée grâce à l’énergie apportée par les lasers, est utilisée comme une allumette pour enflammer le reste du mélange DT.
• Par un apport extérieur d’énergie, c’est l’allumage rapide
  La création du point chaud fait alors appel à une impulsion laser supplémentaire qui apporte l’énergie de chauffage. Chauffage et compression sont découplés. Cette voie n’en est qu’au stade d’études préliminaires sur des installations telles que Petal (Petawatt Aquitaine Laser).

Les expériences de FCI nécessitent des cibles cryogéniques à la géométrie bien particulière.

Pour en savoir plus :

• NIF - Site en Anglais
  National Ignition Facility & Photo Science
  Accès au site
• ITER - Site en Anglais
  Accès au site
• PETAL
  PETawatt Aquitaine Laser
  Accès au site