Allumage par choc

L’allumage par choc [4, 5, 6, 7] est une approche relativement nouvelle de la fu- sion par confinement inertiel. L’id´ee est d’abord venue de Shcherbakov [32] qui a propos´e d’allumer la bille de DT pr´ecomprim´ee `a l’aide d’un choc convergent. Dans ce sc´enario, la temp´erature du DT comprim´e ´etait inf´erieure `a 1keV et la grande ma- jorit´e de l’´energie n´ecessaire `a l’allumage ´etait apport´ee par le choc final. N´eanmoins,

exp´erimentalement, aucun laser n’´etait capable de g´en´erer les pressions n´ecessaires. C’est la raison pour laquelle Betti [4] propose en 2007 une nouvelle approche durant laquelle on cr´ee un point chaud central lors de la phase de compression avec une temp´erature d’environ 2-3keV soit une temp´erature inf´erieure au seuil d’allumage. On lance ensuite le choc fort qui sera amplifi´e lors de sa collision avec le rebond du choc de compression au niveau de la surface int´erieure de la coquille. Ce choc amplifi´e apportera l’´energie n´ecessaire au point chaud afin d’obtenir son allumage.

Figure 1.8 – Repr´esentation sch´ematique de l’implosion pour l’allumage par choc (issu de [33]).

La figure 1.8 repr´esente le principe g´en´eral de l’allumage par choc. Tout d’abord, le laser irradie la surface ext´erieure de la cible cr´eant une onde de choc qui va se

propager dans la coquille (1). L’impulsion laser est profil´ee de mani`ere `a obtenir une compression isentropique sur un temps d’environ 10ns et le choc d´ebouche `a l’int´erieur de la sph`ere de gaz de DT et une partie de ce choc est refl´echi dans le DT solide (2). L’onde r´efl´echie (de rar´efaction) atteint la surface ext´erieure de la coquille et est r´efl´echie, devenant une onde de compression et initiant l’acc´el´eration de la coquille. Au mˆeme moment, le premier choc qui se propageait dans le DT-gaz est r´efl´echi au centre de la cible (2) et la phase d’acc´el´eration se termine lorsque le choc atteint la surface int´erieure de la coquille. Le spike est ensuite lanc´e (3) afin d’entrer en collision (4) avec le choc qui a rebondi au centre au niveau de la surface int´erieure de la coquille au d´ebut de la phase de d´ec´el´eration. Le choc convergent r´esultant entre dans le DT-gaz, augmente sa temp´erature au dessus du seuil d’allumage apr`es un ou plusieurs rebond (5).

Ce sch´ema est tr`es int´eressant dans la mesure o`u il fait intervenir une physique qui est relativement connue et document´ee lors de la phase de compression puisqu’elle peut ˆetre r´ealis´ee sur des installations laser existantes. En effet, les intensit´es mises en jeu sont de l’ordre de 1014_W/cm2 _{qui est un r´egime o`u l’interaction laser plasma est}

essentiellement dans le r´egime collisionnel qui est tr`es bien connu th´eoriquement et pour lesquels les codes de simulations ont ´et´e valid´es par les exp´eriences. Les processus physiques mis en jeu sont exactement ceux d´ecrits pr´ec´edemment sur l’attaque directe `a la seule diff´erence qu’ici, la vitesse d’implosion est plus faible, de l’ordre de 250km/s. De plus, la longueur du pulse permettrait de mieux stabiliser l’implosion de la coquille ce qui donnerait acc`es `a des densit´es surfaciques de combustible plus ´elev´ees avec des ´energies laser de l’ordre de la centaine de kilojoules. Une autre diff´erence avec le sch´ema classique en attaque directe est la temp´erature du point chaud `a la phase de compression (2-3keV) qui est insuffisante pour l’auto-allumage. C’est la raison pour laquelle l’allumage est r´ealis´e `a l’aide d’un choc fort qui est lanc´e `a la fin de la phase d’implosion grˆace `a un spike d’une intensit´e de l’ordre de 1015_{− 10}16_W/cm2 _{soit un}

`a deux ordres de grandeurs plus ´elev´es comme sur la figure 1.9.

Ce sch´ema, qui est pr´esent´e sur la figure 1.8 est donc tr`es attractif non seulement grˆace `a sa simplicit´e mais aussi par la robustesse de son sch´ema d’implosion qui peut ˆetre test´e sur des installations lasers existantes. Mais, il est notable de citer qu’en plus de cela, il ne fait pas intervenir de faisceau de particules ultra-relativistes et il emploie les mˆemes cibles que celles utilis´ees dans l’approche classique. Ces cibles sont donc plus simples et leur coˆut de fabrication est plus faible ce qui est un avantage consid´erable `a des fins d’applications industrielles. Enfin, du fait qu’il n´ecessite moins d’´energie que les autres sch´emas d’allumage, il pourrait permettre d’obtenir des gains ´energ´etiques

Figure 1.9 – Mise en forme temporelle de l’impulsion laser requise pour l’allumage par choc avec une illumination uniforme sur toute la surface de la cible de rayon environ 1mm.

de l’ordre de 100 ce qui est un avantage net en vue d’une centrale ´energ´etique.

Quelques ordres de grandeurs La pression d’ablation dans le r´egime d’absorp- tion classique collisionnel en r´egime quasi-stationnaire peut ˆetre approch´ee par la loi d’´echelle suivante : Pa(Mbar)≈ 40  ηabs IL(W/cm2) 1015_λ L(µm) 2/3 (1.71)

o`u Pa est la pression d’ablation en Mbar, ηabs est le coefficient d’absorption laser,

IL est l’intensit´e laser incidente en W/cm2 et λL est la longueur d’onde du laser

incident. Si on choisit un faisceau de longueur d’onde λL= 0, 35µm, d’intensit´e IL =

0, 3× 1015_W/cm2 _{et un coefficient d’absoprtion laser η}

abs = 0, 7, on obtiendra alors

une pression d’ablation de Pa = 30Mbar dans l’ablateur au moment de l’implosion.

La coquille est alors mise en vol `a des vitesses d’implosion comprises entre 150 et 300 km/s. Ces conditions laser permettent en principe de cr´eer un point chaud central avec des param`etres juste en-dessous de la courbe d’allumage. Afin d’atteindre l’ignition, il faut lancer un choc fort juste avant la stagnation. D’apr`es les pr´evisions des cr´eateurs

de cette approche, pour cr´eer ce choc fort, il est n´ecessaire d’utiliser un faisceau laser d’intensit´e au moins ´egale `a IL = 5×1015W/cm2, ce qui correspondrait, en consid´erant

une longueur d’onde ´egale `a λL = 0.35µm et une absorption l´eg`erement en baisse `a

ηabs= 0, 6, `a un laser d’une puissance de 200 `a 400TW et `a une pression de 300Mbar

(la loi d’´echelle n’est plus valable dans ce cas). Cette puissance est dans le domaine op´erationnel de plusieurs installations laser telles que le NIF et le LMJ, ce qui permet d’envisager des tests exp´erimentaux, contrairement aux autres sch´emas qu’ils soient classiques ou alternatifs.