Fusion par connement inertiel, FCI

La fusion par connement inertiel consiste à amorçer une réaction de fusion thermo- nucléaire auto entretenu dans le combustible, par exemple un plasma de Deutérium et de Tritium, pour libérer de grandes quantités d'énergie :

D + T → α(3.5M eV ) + n(14.1M eV ) (1.46) Le critère pour atteindre l'ignition est appelé critère de Lawson. Il est dénit par la relation :

Fig. 1.13 : Principe de la tomographie par émission de positron. Les photons émis en coïncidence après l'annihilation d'un positron dans les tissus cancéreux sont collectés par des scintillateurs. L'analyse de données en temps réel permet de modéliser une cartographie 3D de la tumeur.

Fig. 1.14 : Image d'une métastase ganglionnaire obtenu par imagerie TEP. L'imagerie met en évidence le coeur, le cerveau, la vessie et une métastase dans une glande située au niveau du cou du patient.

neτ > 1014cm−3s (1.47)

où ne est la densité électronique et τ est la durée de connement du plasma. Deux

voies sont alors possibles : obtenir une densité élevée pendant des temps courts ou une densité faible pendant des temps longs. La FCI utilise la première approche du problème. L'amorçage d'une réaction de fusion consiste à vaincre les forces de répulsion coulom- bienne des atomes en présence. On distingue 3 approches diérentes menant à la FCI, l'approche directe, l'approche indirecte et l'allumage rapide. La FCI par approche directe peut se résumer en 4 phases :

1. On irradie une cible sphérique de Deutérium et tritium (DT) d'environ 1 à 2 mm de rayon le plus uniformément possible avec un éclairement maximal de l'ordre de 2 × 1015_W/cm2_{. Les couches externes de la cible sont ionisées et se détendent pour}

former une couronne de plasma à une densité n ≈ 1019 _{à 10}22 _cm−3_.

2. L'énergie laser continue à se déposer dans la couronne mais en deça de la densité critique. L'énergie transportée par les électrons dans le plasma surcritique accroît la température de la cible et entretient le processus d'ablation. Celui-ci génère une onde choc convergente, qui comprime le combustible.

3. La coalescence des ondes de choc au centre de la cible crée un point chaud aux conditions d'allumage. Les réactions de fusion se déclenchent entretenant le chauf- fage du point chaud.

4. L'augmentation de température du point chaud le rend de plus en plus transparent aux particules α libérées au cours des réactions de fusion, elles commencent à déposer leur énergie dans les couches adjacentes, et transmettent ainsi de proche en proche les conditions d'allumage.

La réalisation de l'ignition par laser nécessite un chauage de la cible uniforme pour garder une symétrie sphérique pendant l'implosion, l'utilisation d'un grand nombre de faisceaux lasers focalisés sur la cible est donc primordiale dans ce schéma. Les limitations proviennent des instabilités hydrodynamiques (Rayleigh-Taylor, Richtmeyer-Meshkov...) provoquées en cas d'éclairement laser non uniforme sur la cible, qui conduisent à une rup- ture de symétrie et à un mélange cible combustible. Ces instabilités réduisent l'ecacité de l'implosion.

Dans le schéma de l'attaque indirecte, les faisceaux lasers ne sont plus focalisés di- rectement sur la cible, mais sur une cavité entourant la cible appellée Hohlraum, gé- néralement réalisée en or, qui va absorber l'énergie laser et en réémettre une partie en rayonnements X incohérents. La cible sera alors connée par ce rayonnement de manière

symétrique et l'importance de l'homogénéité du prol des faisceaux laser est diminuée. Le taux de conversion EL en EX est de l'ordre de 60% auxquels il faut ajouter le trans-

fert d'énergie des rayons X à la cible, ce qui rendrait cette approche moins ecace que l'approche directe, mais les dicultés technologiques que sont l'éclairement homogène de la cible et les instabilités hydrodynamiques rencontrées dans le schéma de l'approche directe pourraient faire de l'approche indirecte une solution plus "simple" à réaliser.

Dans le concept de l'alumeur rapide [Tabak et al. 1994], on découple les phases de compression et de chauage, ainsi la cible est comprimée par les lasers , mais le chauage s'opère par la génération d'un faisceau de particules venant déposer son énergie dans le combustible. Le modèle de l'allumage rapide peut être décomposé en 4 étapes :

1. la phase de compression est réalisée de la même façon que dans l'approche directe avec des faisceaux lasers focalisés sur la cible de DT, sans chercher à réaliser un point chaud central mais un chauage adiabatique permettant de limiter les instabilités hydrodynamiques. Il se forme alors un coeur dense et une couronne de plasma autour de ce dernier.

2. un premier faisceau laser (I0 ≈ 1018W/cm2) est envoyé au travers de la couronne

pour creuser un canal.

3. un deuxième faisceau plus énergétique (> 1020 _W/cm2_{, τ ≈ 1 ps) y est alors guidé}

le plus près possible du coeur an de générer un faisceau d'électrons capable de traverser le plasma surcritique et de se thermaliser à la surface du coeur, créant ainsi un point chaud latéral pouvant répondre aux conditions de température et de densité nécessaires pour l'allumage.

Dans cette approche, le chauage de la cible est dit isochore (volume constant) [Pa- tel et al. 2003]. Cette hypothèse peut être faite grâce au temps très court faisceaux de protons par rapport aux temps caractéristiques d'évolution hydrodynamique de la cible, il en résulte un gain plus élevé que dans le schéma de l'approche directe [Kidder 1976]. Une équipe, [Roth et al. 2001], a démontré la possibilité d'utiliser un faisceau de pro- tons pour chauer la cible, cette conguration est discuté par Barriga-Carrasco en 2004, [Barriga-Carrasco et al. 2004]. Les protons présentant des caractéristiques bien adaptées pour le chauage d'un volume de DT donné. En eet, le dépôt d'énergie d'un faisceau de protons mono énergétiques est très localisé, grâce au pic de Bragg, de plus le faisceau de protons perd peu d'énergie dans des milieux à faible densité et du fait de sa masse importante est moins sensible aux champs électromagnétiques que les électrons. Le point sombre reste l'ecacité de conversion entre l'énergie laser et le faisceau de protons qui reste faible (entre 5 et 12% suivant les expériences [Clark et al. 2000b], [Snavely et al.

Fig. 1.15 : Schéma d'un allumeur rapide. L'allumage rapide par laser s'eectue en quatre étapes, la cible de deutérium est uniformément comprimée sous l'action de plusieurs lasers nanoseconde générant un plasma concentrique,

une impulsion laser de 1018 _W/cm2 _{est alors focalisée non loin de la sur-}

face critique du plasma, créant ainsi un canal sous critique. Une deuxième impulsion très intense est alors focalisée dans le canal pour générer des électrons rapides qui vont traverser le plasma et créer un point chaud la- téral permettant d'atteindre les conditions de température et de densité nécessaires pour l'allumage.

2000]). Des incertitudes subsistent quant à la réelle possibilité d'utiliser des systèmes laser pour la fusion inertielle à des ns civiles.

Deux grands projets sont en cours de développement pour démontrer l'ignition par laser, la France avec le LMJ (Laser Méga Joule) et les Etats Unis avec le NIF (National Ignition Facility).