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À gauche : Configuration initiale de température et de densité, reflétant les conditions du processus de combustion stable et isobarique. Au centre : Trajectoires de diffusion des ions pour des angles grands ou petits, et frontières des sections efficaces à divers paramètres d’impact. À droite : Les ions en collisions à grands angles échangent d’importantes quantités d’énergie durant une seule collision, entraînant des ions supra-thermiques défiant la distribution maxwellienne, tandis que les ions en collisions à petits angles perdent continuellement de l’énergie lors de multiples collisions, ce qui aboutit à une distribution ionique d’équilibre ou maxwellienne. Dans leurs simulations, l’intégration des potentiels écrans de l’arrière-plan avec le mouvement relatif des ions lors des collisions binaires conduit à la coupure, délimitant une zone correspondant à la section efficace pour les collisions à grands angles, alors que le reste se rapporte aux collisions à petits angles.
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Crédit : ©Science China Press
Le rêve de maîtriser la fusion nucléaire contrôlée pour la production d’énormes quantités d’énergie propre se rapproche de plus en plus de la réalité grâce aux avancées de la fusion par confinement inertiel (ICF). Cette technologie permet d’allumer un combustible de deutérium-tritium (DT) en atteignant des températures et des pressions extrêmes durant le processus d’implosion. Dans la fusion DT, la majorité de l’énergie est transportée par des neutrons, alors que les particules alpha s’accumulent au sein du combustible, initiant ainsi d’autres réactions de fusion. Lorsque les énergies de dépôt des particules alpha dépassent le travail accompli par l’implosion, le plasma débute le processus de combustion, entraînant une augmentation substantielle des densités d’énergie. En février 2021, le National Ignition Facility (NIF) a réussi à atteindre l’état de plasma brûlant ICF, marquant une étape cruciale dans l’avancement de l’énergie de fusion et l’exploration des conditions extrêmes de l’univers primordial. Cependant, dans cet état extrême, Hartouni et ses collègues ont observé des phénomènes physiques inédits lors d’expériences menées au NIF : les données du spectre neutronique s’écartaient considérablement des prévisions hydrodynamiques, indiquant l’émergence d’ions DT supra-thermiques. Ces observations remettent en question les modèles existants basés sur des distributions de Maxwell et soulignent l’importance des effets cinétiques auparavant négligés et des mécanismes hors équilibre. Modéliser précisément ces effets cinétiques, en particulier les collisions à grands angles impliquant d’importants échanges d’énergie, représente un défi considérable. De telles collisions produisent des ions supra-thermiques lors du dépôt des particules alpha, entraînant des écarts par rapport à l’état d’équilibre et échappant aux descriptions hydrodynamiques.
Pour relever ce défi, une équipe de recherche conjointe dirigée par le Prof. Jie Zhang, de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université Jiao Tong de Shanghai, a proposé de manière innovante un modèle de collision à grands angles qui intègre les potentiels écrans des ions de fond avec le mouvement relatif des ions lors des collisions binaires, permettant de saisir de manière exhaustive la cinétique des ions. Le code hybride de particules dans la cellule LAPINS, récemment développé par l’équipe, en intégrant ce modèle, réalise une simulation de haute précision des plasmas brûlants ICF. Des investigations étendues et cinétiques sur les implications des collisions à grands angles ont permis de dégager plusieurs résultats clés, dont une promotion du moment d’allumage de ~10 ps, la présence d’ions D supra-thermiques en dessous d’un seuil d’énergie d’environ 34 keV, soit environ deux fois le dépôt prévu des densités de particules alpha maximales, et un renforcement des densités des particules alpha au centre de la zone active d’environ 24%. La rationalité de leurs découvertes est confirmée par la congruence entre les analyses du moment spectral des neutrons effectuées par le NIF et leurs simulations cinétiques, les deux mettant en évidence des disparités entre ces analyses et les prévisions hydrodynamiques, qui deviennent plus marquées à mesure que le rendement augmente.
Cette recherche n’offre pas seulement de nouvelles perspectives pour l’interprétation des expériences, mais ouvre aussi des opportunités de recherche pour guider la conception et l’amélioration des schémas d’allumage et explorer les plasmas de combustion nucléaire, qui se distinguent par leurs densités d’énergie exceptionnellement élevées et détiennent un potentiel immense pour éclairer la physique complexe qui sous-tend l’évolution de l’univers primordial.
Notre Opinion Tech
La question de l’énergie propre par fusion nucléaire représente un choix stratégique face aux défis climatiques actuels. Bien que des avancées significatives aient déjà été réalisées, il est crucial que la communauté scientifique se concentre également sur la durabilité des technologies mises en œuvre. À travers une meilleure compréhension des collisions ioniques et des comportements non équilibrés, nous avons probablement accès à de nouvelles perspectives pouvant soutenir les futures innovations en matière d’énergie. La fusion contrôlée pourrait non seulement révolutionner notre approche des sources d’énergie, mais aussi redéfinir notre manière de comprendre les interactions fondamentales à l’échelle cosmique.
Bon à savoir : La fusion nucléaire, bien que prometteuse, soulève également des préoccupations liées à la gestion des déchets et à la sécurité des installations. Un suivi rigoureux de ces technologies émergentes est essentiel pour garantir leur déploiement responsable.
Cette avancée en fusion nucléaire pourrait révolutionner notre façon de produire de l’énergie. Cependant, il est essentiel de considérer les implications sur la sécurité et les déchets.