Laser MégaJoule et fusion nucléaire

19 mars 2010 par Optro & Défense | Print Laser MégaJoule et fusion nucléaire

bombeAAvec l’abandon des essais nucléaires en Polynésie en 1996 par le président de l’époque Jacques Chirac, le CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives), et en particulier son Département des Applications militaires (DAM) se charge de comprendre la fusion nucléaire. L’objectif est de maintenir nos compétences dans le domaine car la dissuasion reste le fondement de la Défense Nationale.

Quelques ordres de grandeurs !

MégaJoule, en voilà un nom qui frappe! Mais que cache-t-il vraiment? 3 Mégajoules  correspondent à 700 kcal, soit l’énergie calorique contenue dans une pizza pour maintenir un adulte à 37°C pendant 8 heures. Associer Mégajoule et fusion nucléaire est donc un raccourci risqué! Autre exemple: Combien d’énergie est nécessaire pour faire passer une formule 1 de 0 à 300 km/h en 8 secondes? 2 Mégajoules. On voit bien que ce qui nous intéresse n’est pas l’énergie mais l’énergie concentrée sur une surface et pendant un temps donné.

L’objectif du projet MégaJoule, c’est donc d’apporter suffisamment d’énergie en  0,000 000 003 secondes pour faire fusionner 0,0003 grammes d’hydrogène contenus dans une cible de 1 cm3. Il faut focaliser la puissance dans le temps et l’espace, et c’est en cela que la technologie Laser se révèle intéressante!

Pourquoi toute cette énergie?

L’effet recherché est de porter les atomes d’hydrogène à 10 millions de degrés et en les maintenant suffisamment proches les uns des autres pour déclencher une réaction de fusion nucléaire. Deux technologies sont étudiés pour réaliser le confinement des atomes:

  • le projet ITER qui se base sur des champs magnétiques (site officiel)
  • le projet LMJ (Laser MégaJoule) qui utilise des lasers qui tapent sur un four en or et dont les 1,4 Mégajoules apportés devraient permettre d’enclencher la réaction recherchée.

Les technologies optroniques dans le projet LMJ

Afin d’éviter de détruire les optiques à cause de l’énergie qui transite, on réparti l’énergie sur 240 lignes lasers, regroupées en 30 chaînes de 8 faisceaux. Chaque laser devra être capable de fournir des impulsions mises en forme temporellement de durée 20 ns  avec une précision de synchronisation entre les faisceaux de 15 ps et une précision de pointage de 50 μm.

chambre_LMJ

Les 240 lignes lasers convergeant vers la cible

Cela conduit tout de même des optiques carrés de 40 cm de côté. Précisons que les optiques carrées ont l’avantage de pouvoir être mises côtes à côtes plus facilement que s’il s’agissait d’optiques circulaires. Les défauts qu’on accepte sur ces optiques sont équivalentes à une colline d’1 mètre à l’échelle de la France! Ces miroirs déformables (un par faisceau), sur lesquels le faisceau laser rebondira durant son amplification, seront situés en fond de la cavité laser. Lors de cette réflexion du faisceau, la surface du miroir, déformée grâce à 48 actionneurs fixés à l’arrière, corrigera les imperfections du faisceau laser.

60 amplificateurs (de 19 tonnes chacun), serviront à amplifier chaque impulsion laser au moyen de 180 lampes flash qui illuminent ou pompent 72 plaques de verre dopées par une terre rare, le néodyme (Nd). 66 tonnes de ce verre spécial de couleur cassis seront nécessaires.

Le passage des faisceaux de l’infrarouge (1,05 µm) en lumière verte puis à l’ultraviolet,  sont réalisés par des énormes cristaux convertisseurs de puissance réalisés comme beaucoup d’autres composants sur mesure pour ce projet. Ces cristaux de KDP (dihydrogéno-phosphate de potassium), réalisent en effet un couplage non linéaire  permettant de convertir 50 % de l’énergie laser dans l’harmonique 3, à la longueur d’onde 351 nm.

La focalisation se fait par réseaux, approche différence de celle du projet NIF (National Ignition Facility) de San Francisco qui est l’équivalent américain du LMJ. Néanmoins ces deux lasers possèdent une technologie voisine car la France et les États-Unis coopèrent étroitement dans ce domaine.

hohlraumChaque faisceau fournit alors environ 7500 joules en ultraviolet. Ainsi c’est 1.8 million de joules produites par les 240 lasers du LMJ qui vont être propulsées un petit cylindre d’or (550 Térawatts en puissance crête). Cela crée des rayons X qui chauffent et compriment de l’hydrogène lourd (deutérium) et super lourd (tritium) contenus dans une microbille qui est installée dans le cylindre, au point d’initier une réaction nucléaire.

Au final, ces installations, centrées autour d’une cible de 2 mm de diamètre à l’intérieur d’une chambre de 10 mètres de diamètre, conduisent à un bâtiment de 300 mètres par 150 et de 35 mètres de haut (9 étages). L’ensemble du Programme Simulation va coûter 5,1 milliards d’euros sur quinze ans.

laser_megajoule

Une synergie d’acteurs

La réalisation d’un tel équipement a profité à beaucoup d’acteurs du domaine de l’optronique militaire, au rang desquels on trouve SAFRAN via SAGEM, Thales, EADS via la CILAS. L’installation a été divisée en sous-ensembles aux périmètres bien définis pour être confiés, à l’issue d’appels d’offres, à des industriels différents. CEA/DAM assure lui la maîtrise d’œuvre d’ensemble.

Img_Industriels

Le CEA, lui, a inscrit ce projet LMJ dans sa dynamique d’études sur les lasers et les phénomènes nucléaires débutés dès 1960 avec le développement des premiers lasers à rubis. On citera également les études de détection de plasmas, le lasers OCTAL à 8 faisceaux de 1977, les premières expériences d’implosion en 1986 en passant par le record de puissance sur P102 en 1990. Plus récemment, la Ligne d’intégration laser (LIL) avec ses 9,5 kilojoules a permis de prototyper dès 2002 la chaîne laser du LMJ.

Ces travaux d’expérimentation viendront compléter les moyens de simulations du CEA en terme de recherche physique théorique pure et en calcul numérique de haute performance.

Comme j’essaie de le montrer dès que je peux au travers de ce site, les domaines civils et militaire s’enrichissent mutuellement de leurs avancées. On peut donc espérer que les travaux menés sur le Laser Mégajoule bénéficient à des projets de production d’électricité par fusion initiée par des lasers. C’est ce qui sera tenté dans les prochaines décennies via en Europe le projet HiPER et aux États-Unis via le projet LIFE.

Rendez-vous en 2014 pour la mise en route!

Sources :
Conférence « 50 ans de laser au CEA » dans le cadre des 50 ans du Laser, CEA, CILAS

D’autres informations pour aller plus loin :
la fusion inertielle (M. Chesnais, CNRS, Images de la physique 2005)
le confinement inertiel par Laser (site CEA)
le département des applications militaires du CEA (site officiel)
la ligne d’intégration laser (LIL) (site officiel)
le site du CEA (site officiel)

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5 commentaires

  1. Je ne suis pas certain que l’image tout en haut soit réellement une explosion nucléaire… Loin de moi l’idée de me prétendre spécialiste de la chose, mais cette image, renvoyée par Google, ne me semble pas être un beau champignon nucléaire.
    Cependant, article intéressant!
    La fusion nucléaire, l’avenir de l’humanité?

  2. OPTRO & DÉFENSE

    Avenir de l’humanité, la réalisation concrète reste à faire mais les perspectives liées à la production d’énergie sont très intéressantes. En effet, le Tritium et le Deutérium sont des isotopes naturels de l’hydrogène que l’on trouve beaucoup plus facilement que l’Uranium. Par exemple, les océans contiennent naturellement suffisamment de deutérium pour permettre d’alimenter en énergie la planète pendant quelques centaines de millénaires.

    Un intérêt de la fusion nucléaire est de pouvoir produire théoriquement beaucoup plus d’énergie (de 3 à 4 fois plus), à masse de « combustible » égale, que la fission. Et contrairement à la fission nucléaire, les produits de la fusion eux-mêmes -principalement de l’hélium- ne sont pas radioactifs (lorsque la réaction émet des neutrons rapides, ces derniers peuvent en revanche transformer les noyaux qui les capturent en isotopes pouvant l’être).

    • Nom

      (de passage sur ce site)

      N’importe quoi!

      Le Deuterium est bien disponible en abondance dans l’eau de mer, mais pas du tout le Tritium!
      C’est même l’élément le plus cher de l’humanité à produire, lorsqu’il faut le stocker pour l’utiliser par la suite.
      On peut toutefois produire le Tritium « à la demande », c’est à dire sans stockage, pour fusion immédiate en bombardant du Lithium de neutrons. Mais ce n’est pas la techno utilisée en confinement inertiel.

      Allez, un peu de Google/Wikipedia pour vous éviter de propager des âneries.

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