Brevet FR2112057A1 — publié le 19720616

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de fusion thermonucléaire par laser. L'interaction d'un faiscesu lumineux, d'énergie suffisante, provenant d'une source laser avec une cible solide donne @a@@@sance à un plasma dans lequel des réactions thermo @@cléamres de fusion peuvent avoir lieu sous certaines @on@@ions. Il est commode pour définir les deux grandes - ES d'expériences intéressant les physiciens des p@asmas d'utiliser le critère de Lawson qui détermine les @@ditions q':e doit satisfaire un-plasma de densité n port@ @ a la température T pendant un temps T pour devenir un @@nérateur d'énergie.Ce résultat est obtenu lorsque @e blÏcII 'énergie du plasma est positif, c'est-à-dire lorsque l'énergie dégagée par les réactions de fusion dans ie plasma est supérieure a l'énergie fournie au plasma par le laser Si on considère le-combustible, matériau constituant la ible, le plus favorable qui est un mélange équimoléculaire de deutérium et de tritium, ce critère s'exprime par n.@ # 1020 (ions@s/m3) T# 10 keV On différentle alors Les expériences dites lentes, @@té@@sées par une faible densité n et des temps # longs, @@pé@@@@ @@@ à la milliseconde) des expériences dites rapides @@@@@ @@@@@ @@@e @@@te densité @ mais pendant un temps # @@@s @@@@@ @@@@@ @@@@ @@@@@ microseconde). Les premières ex@@@@@@ @@@@@@@@@@ @@@@@ @@ed@utable problème des instabilit@@ @@@ @@asme @@@@@im@ @@@ durée de vie.Le succès des expér@ @@@@ @@@@@@@ @@@@@@@ @@@progrès des sources énergie car > @euvre une très grande densité de puisea@ @@@@@@@ @@ @@@@ier type d'expérience, la source d'énergie @@@@@ @e @st a@a@@ageusement un ou plu @@eurs lasers.L@enter@@ @@@ @@ @@@@nnement émis par un @aser avec une cible @@l@d@ @@ @@@ @@ formation d'un plasma doot @a densité peut @@te@@@re @@@ @nsite du solide @@@@@ @@ @@ @@.10@8@-3 @@@e@@@ @@@@ @@@@@@@ @@ oricère de Lawson, @es temps @@nécessaires pour obtenir un o@@a@ d'energie positif deviennent très courts et auc@@@ @@@@@ @@ @@ plasma formé n'est utile.La plupart des @@@e- rion@@s rapides réalisées ou proposées font appel @ des @ib@es sphériques e@ toute la@matière de cette @@@@@ @@@e@ag@@ pe@@an- un temps très@court avec le fais@ea; @aser.La @ble est don@ vo@a@@@@sée instantanémen@@@ l'ex@@@ence de réactions de fusion a pu être mise@@ @@@dence avec @e type d'expér@ences rapides dans @@@@ piasma de deutérium-@r@tiom, le bilan d'énergie @@@@@@ n'est cependant pas positif du fai@ des temps @@@@@a@@ve- @@@@ co@@ @ pencant esque@s on arriva à conser@ @@@@@ prasma forme.Divers expérimentateurs ont alors @@@@@@ppe@@ @@ des méthodes de confinement ma@s du fait de l'ex. @@@@ce @@és co@@@@ de ses @@as@as et de leur grande vit@@@@ @@@@ @ expansion@ elles @@@@@ @sort pas révélées sati@@@ @@@@tes. La présent@ @r@em@@on propose un procéd@ @@@@@@ @@@positi@@ @@@@ssion @hermonucléaire par laser @@@ @@@@ndan@ m@eux que @eur de l'a@@ antérieur aux exigences @@@@a@@ pl@@ique, notamment en ce que le bilan d'énergie @u piasma formé pout être positif. @@@e@@@@ @@@@@ @ invention propose un pro@@@@@ @@@ fusion the@monucléa@@e suivant lequel on forme @@@@@@ma@@ en faisant interagir @n l@isceat laser avec une @@@@@ s@@@@e p@acee dans @@@@v@@e secondaire, la surfac@ de @adite @@@@e étant au moment de la formation dudit plas@@ @@@@- @@ement @@@cée au f@ve@ d'un système optique de @@@ @@@ation @adit faisceau @ase@ caractérisé en ce que :: @ @u choisit le flux dud@@ faisceau laser et @a @@@@@@@ l'@nde de la lumière @aser de façon à c@ que @edit plasma@@it initialement, @ompte tenu de la composition @@ @@di@e@@@ble, des caractéristiques de température @@ de @@@@@@@ dé@erminées. - @@ ch@isit pour ladite cible une forme sensi @ @@@@@ cylindrique et une longueur au moins égale au produit de la vitesse de propagation du son dans ladite @@b@@ par le temps pendant lequel on désire conser@er les caractéristiques dudit plasma, temps pour lequel le bilan d@é@e@gie est positif, et - on maintient, pendant au moins ledit temps, ledit flux aser ar@ivant s"" ladite surface de ladite cible sensiblement constant et la position du plan focal dudit système optique dans 'a zone d'absorption du rayonnement lase@ par ledit plasma, lesdites caractéristiques dudit pasma n'étant alors pratiquement pas modifiées pendant ledit temps. L'invention propose également un dispositif de fision thermonucléaire comprenant un laser, une enceinte dans laquelle on peut créer un vide secondaire et munie d'une fenêtre d'entrée du faisceau laser, une cible solide et un système optique placés dans ladite enceinte, ledit système optique focallsan' ledit faisceaux laser sensiblement sur la surface de ladite cible, ce qui a pour effet de créer un pasma, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour diminuer la distance de ladite cible audit système optique avec une vitesse sensiblement égale à la vitesse de psopagavlon d son dans ladite cible, de sorte que le plan focal dudit système optique reste localisé dans la zone d'abscrption du rayonnement laser par ledit plasma, en ce que aa longueur de ladite cible est au moins égale au produit de la vitesse de propagation du son dans ladite cible par le temps pour lequel le bilan d'énergie devient positif et en ce que le flux laser arrivant sur la surface de ladite cible est sensiblement constant pendant ledit temps. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la fig. 1 représente schématiquement, en fonction du temps t, les positions x d'une particule de la cible, de l'onde de détente et de l'onde de choc, - les fig. 2a et 2b représentent respectivement et d'une façon schématique les profils de densité et de température du plasma, - la fig. 3 représente, en fonction de la température T, la durée de chauffage TL et la densité d'énergie (Wo/So) nécessairesà l'obtention d'un bilan d'énergie positif et, - la fig. 4 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention. Lorsqu'un faisceau lumineux issu d'une source laser interagit avec une cible, il y a formation d'un plasma lorsque l'énergie transportée par le faisceau lumineux est suffisante. Le plasma se détend dans tout l'espace avec cependant une vitesse d'expansion plus élevée en direction de la source lumineuse. Sur la fig. 1, la courbe 1 représente en fonction du temps t la position x d'une particule de la cible ayant été évaporée pour former le plasma. La position de cette particule est repérée par rapport a une origine 0 fixée arbitrairement au centre de l'extrémité de la cible sur laquelle arrive le faisceau laser.Au ccurs de la formation du plasma, une déflagration radiative se développe entretenue par l'absorption du rayonnement laser dans une mince tranche de matière du plasma de densité proche de la densité de coupure du rayonnement nc = 1027/A2 (A exprimé en microns représente la longueur d'onde du rayonnement laser). Cette déflagration induit dans la cible une onde de choc suivie d'une onde de détente. Les positions au cours du temps de ces deux ondes sont représentées respectivement par les courbes 2 et 3 de la fig. 1. Les courbes des fig. 2a et 2b représentent schématiquement et respectivement les profils de densité n et de température T du plasma caractéristiques de la déflagration radiative qui induit un choc dans le matériau. La cible, sur laquelle arrive un rayonnement {4e lc' -r d'onde #, est représentée par 4 or@@se @@@@ @@@@bes est fixée arbitrairement à l'ex@rêmité 1 ,..e sur laquelle arrive le rayonnement laser. La zone 5, caractérisée par une densité n relativement faible et une température T sensiblement uniforme et élevée, est la zone d'expansion du plasma. La zone d'absorption du rayonnement laser par le plasma est rep=esentée par 6 et a pour abscisse moyenne xa. Entre l'onde de détente (déflagration) représentée par 7 sur profil de densité n et l'onde de choc 8, se trouve la zone e choc 9 caractérisée par une densité n élevée et une température T relativement faible. Pour que des réacticns de us ion thermonucléaire puissent avoir lieu dans le plasma, il est nécessaire que ce dernier ait une température et une densité élevée : cette zone est représente par 10. Les limites de ces différentes zones sont représentées sur la figure 2 d'une façon sché matique et il est bien évident qu'en réalité ces limites ne sont pas auss-i bien définies. La température maximale du plasma dépend du flux laser arrivant sur la surface de la cible.Les vitesses de front de choc D1 et de la déflagration D2 sont données par les relations suivantes D1 = 8,65.10-2 (#2 #)1/3 D2 = 0,83.D1 Le plasma chaud qui se trouve dans l'onde de détente est éjecté du côté opposé à la cible (en direction des x croissants sur la fig. ls. Les caractéristiques de densité n (x, t) et de température T sont données par çs relations suivantes @a@@@ n (x,t) = 1027 #-2 exp # # C2 t T(keV) = 5.10-12(#2# )2/3 dans @@@@@@@@@ @@@@ @@@@5T1/2 (keV) est la vitesse du front @@@@@@@@@, @a la position de la zone d'absorption du rayo@@ement @@présent@ mar 6 sur les figures 2a et 2b, et f le flux L'énerg@e sotale produite dans un plasma de deutérium-tritium par @@@ réactions de fusion s'exprime par n2@ dx dt (1) cu @ est la section efficace moyenne de la réa@@@@@ de fusion Di X@ la position de la surface de la @ l'instant initial, So la surface de la cible, @@@ anergie dégagée par ia réaction de fusion D-T et TL la - r-eale de limpulsion laser utilisée pour a création et 1 d@ plasma.En résolvant l'intég@ale double de l'equation (1), il vtent ; WF = 3,5.1046 So/#2 T1/2# (2) et un bilan d'énergie positif sera obtenu lorsq@@ @ #2T TL > 2,6.10-30 (3) # Dans cette dernière relation, on a sup@@ que les rendements de pompage du laser et de conversion de l'énergie lumineuse en énergie "plasma" sont @@@@ à 1 et on a négligé le coefficient de réflexion du la ma. Dans ces conditions, la densité d'énergie du fais@@a@ lumineux interagissant avec la cible s'exprime alo@@ par la relation : T5/2 Wo/So # 2,3.10-13 (4) # Les relations (3) et (4) fixent donc J. caractéristiques du faisceau laser, durée de 1' lumineuse et densité d'énergie pour une longueur d'onde données, pour que le bilan d'éner@ie soit positif onc n,,our que le plasma soit effecrivement un générateur d'énergie. Les relations (3) et (4) ont été représentées @raphiquement sur la fig. 3 pour une cible formee, à @itre l'eemple, d'un mélange équimoléculaire de deutérium et de tritium. Les courbes 11 et 12 représentent les variations de en en fonction de la température pour des longueurs d'ondes X respectivement de 1 micron et 0,2 micron. La courbe 2 correspondant à cette dernière longueur d'onde n'est donnée qu'à titre de curiosité car un laser délivrant di rectement un faisceau -lumineux de longueur d'onde 0,2 micron est encore tout à fait hypothétique. La cour@e 13 w représente les variations de la densité d'énergie en S fonction de la température T. On remarque que cette courbe passe par un minimum pour une valeur de la température correspondant à environ 8 keV. Si l'on se place à cette température dans le but de minimiser la densité d'énergie nécessaire, on remarque sur la courbe il qu'il est nécessaire pour avoir un bilan d'énergie positif d'avoir un temps de conservation du plasma formé, donc une largeur TL de l'impulsion laser, de 2.10 7 seconde. Ce temps étant relativement long, les procédés mis en oeuvre dans l'art antérieur pour obtenir un bilan d'énergie positif ne se sont pas révélés satisfaisants.Selon les inventeurs, les raisons de ces échecs sont les suivantes : lorsque l'on focalise un faisceau laser sur une cible solide, il y a production d'un plasma et le rayonnement laser est absorbé dans une zone de longueur très faible et constante du plasma (zone d'absorption). Si la largeur de l'impulsion laser est suffisante pour que l'on continue à chauffer ce plasma après sa formation, le plan focal du système optique, focalisant au début de l'impulsion laser le faisceau lumineux sur la surface de la cible, ne se trouve plus au court du chauffage du plasma en coïncidence avec la surface de la cible. En effet, cette dernière se consume du fait de l'existence d'une onde de détente qui se déplace à une vitesse voisine de celle du son dans la cible (106cm/s environ pour une cible de deutérium-tritium).La densité d'énergie maximale du laser qui se trouve au point de focalisation du faisceau lumineux ne coïncide pas avec la zone du plasma que l'on désire chauffer. De plus, il est nécessaire de tenir compte de l'expansion du plasma. Suivant le procédé de la présente invention, on forme un plasma en focalisant un faisceau laser sur la surface d'une cible solide. Les caractéristiques du plasma formé sont parfaitement déterminées en fonction de la composition de la cible, en choisissant le flux du faisceau laser (à l'aide de la relation 4) et la longueur d'onde de la lumière laser. On choisit pour la cible une forme cylindrique et une longueur au moins égale au produit de la vitesse de propagation du son dans la cible par le temps pendant lequel on désire conserver identiques les caractéristiques du plasma. Ce temps n'est autre que le temps pour lequel le bilan d'énergie du plasma est positif et il est déterminé à l'aide des courbes de la fig. 3. La surface de la cible peut avantageusement être égale à la tache focale du système optique utilisée pour focaliser le faisceau laser sur la cible. Ensuite on malntient, pendant au moins le temps TL L le flux laser arrivant sur la surface de la cible sensiblement: constant et la position du plan focal du système optique dans la zone d'absorption du rayonnement laser par ledit plasma. Dans ces conditions, les caractéristiques initiales du plasma formé ne sont pratiquement pas modifiées pendant le temps rt Ce dernier, pendant lequel on maintient constant le flux laser arrivant sur la cible solide, est égal à la largeur de 4'impulsion lumineuse délivrée par le laser.Du fait de l'évaporation progressive de la cible, évaporation s'effectuant sensiblement à la vitesse de propagation du son dans la cible, on garde constant la distance du système optique de focalisation à la surface de la cible Pour ce faire, on déplace la cible en direction du systeme optique à une vitesse sensiblement égale à la vitesse de propagation du son dans la cible ou, inversement, on déplace le système optique en direction de la cible. Cette vitesse est d'environ 106cm/s pour une cible de deutérium-tritium. Lorsque la distance focale du système optique est très grande, la longueur de la tache focale est relativement grande et le flux laser dans toute la tache focale reste sensiblement uniforme : dans ce cas, la modification de la distance système optique-cible peut ne pas être nécessaire. Ce déplacement devient par contre obligatoire lorsque le système optique utilisé a une grande ouverture. I1 peut être obtenu notamment par une accélération magnétique de la cible, due a un gradient de champ magnétique. Lorsque l'on désire utiliser l'énergie thermique du plasma, que l'on convertit en énergie électrique, pour faire fonctionner le laser (pour charger une batterie de condensateurs par exemple), le rendement du laser doit être aussi élevé que possible : il peut être alors très avantageux d'utiliser des lasers moléculaires (à gaz carbonique par exemple) ou chimiques qui ont des rendements d'au moins 10 %, alors que i rendement d'un laser à verre dopé au néodyme est environ de 0,1 %. L'invencion concerne également un dispositif à fusion thermonucléaire dont un mode de réalisation est epésenté schématiquement sur la fig. 4. La cible 14 de .e mode le réalisation est une cible solide composée d'un mélange de deutérium et de tritium, avantageusement à 50 R de deutérium et 50 % de tritium. Cette cible 14 est placée a l'intérieur d'une enceinte 15, appelée chambre d'interaction, dans laquelle on peut créer un vide secondaire inférieur a 10 7 torr à l'aide du groupe de pompage 16.La cible 14 est formée à l'aide d'un cryostat 17 contenu en partie dans la chambre d'interaction 15 il comprend une enceinte 18 contenant sous forme gazeuse le mélange de deutérium et de tritium, une vanne 19 permettant d'introduire le mélange gazeux à l'aide de la canalisation 20 dans la partie froide du cryostat, une commande 21 de l'extrusion du mélange de deutérium-tritium solidifié à a sortie de l'extracteur 22 et des moyens de refroidisse- @@@@ @@ mélange gazeux de deutérium-tritium. Ce refroi @@@se@@@@ est assuré par une circulation d'hélium liquide er@ @@@@ das @@@ canalisation 23 et injecte dans un @é@@ @@@@@@ @@@@@@@ @@@@@ @extracteur 22. L'hélium sous f@@@@ @@@eus @@@@ @@@@@ @@@@@eta par la canalisation 25. Un é@@@@ @@e@@@i@@@ @@@@@a@@ @@@@@ vendement satisfaisant pour le @ry@@@@@@@@@ @@@@ @@@@eut 22 ayant la forme d'un bube cylindr@@@@@@@ la @@@@ @@@@ide a la forme d'un batonnet de diamètre sens@@@ement egal a@ diamètre interne du tube constituant l'extrac@@er 22 er dont la longueur, qui peut atteindre plusieurs ce@@@mètres, est réglée par la commande d'extrusion 21. Cette dernière @@@ E-:--- fait une simple tige métallique commandée de l'extérieur du cryostat et qui vient pousser le solide hors du canal 2 et l'amener de ce fait dans l'enceinte 15.Le dispositif comporte également un laser 27 émettant un faisceau lumineux 28 sens@@@ement paral@èle et un prisme 29 de déviation du faiscea@ l@mineux 28 permettant à ce dernier de pénétrer dans la chambre d'interaction 15 à travers un hublot d'entrée 30. @e fa@sceau lumineux est focalisé sur la surface 61 de @a cib@ 14 à l'aide d'un système optique 32 consti@@é @@anta- geusement par un objectif de grande ouverture @@@@ par exemple) et percé d'un trou central 33 pour évi@e@ le rupture du matériau de l'objectif sous l'effet @@ rayonnement laser.Des moyens non représentés sur la @ig 4. permettent de rapp@ocher la surface @1 de la cl@@e 1 vers le système optique 32 avec une vitesse voisine de @@ @itesse de propagation du s@@ dans la cible 14 ces @ye@s pe@@ent être par exemple des bobines magnétiques @éant @ pradient da champ mag@@tique à la sor@@@ d@ @@ @tr@@@@@r 22. @@ laser 27 est un laser à verre @@pe au @@odyme @@@ 11 peut être également avantageux d@@@@@iser @@ laser m@léculaire ou chimique.Lorsque l'on ex@@c@ un @@sev à gàz carbonique, le système optique 32 peut alors être un m@@o@r@ sprérique par exemple. Le hublet @@@@trée @@ @'e@@e@@t@ @@ @'est pas pl@cé parpendicul@@@ement aux rayons lumineux du faisceau @8 afin d'éviter @@ @etour dans le milieu actif d@ laser 27 des @ayons lu@@@@@@ @@@@this par les faces du nablot 30. Le laser @@ é@@t @@@@ forme un faisceau lumineux 28 une impulsion lum@neus@ @@ @@@@ @@@@angulaire ayant une largeur #L. La longueur @ de li@cible 14 est @@ mol@@ égal@ au produit de le @@ esse @@@@@@@gacion du son dans la cible par la largeur #@ de l'@@pulsion laser. Grâce au déplacement de la cible, l'extrimité 31 de la cible 14 reste située dans le plan focal du système optique 32 pendant toute la durée de l'impulsion lase@. Il @a sans dire que la présente invention ne se limite pas au seul mode de réalisation qui a été seprésenté et décrit à @itre d'exemple non limitatif. REVENDICATIONS 10/ Procédé de fusion thermonucléaire suivant lequel on forme un plasma en faisant interagir un faisceau laser avec une cible solide placée dans un vide secondaire, la surface de ladite cible étant au moment de la formation dudit plasma sensiblement placée au foyer d'un système optique de focalisation dudit faisceau laser, caractérisé en ce que - on choisit le flux dudit faisceau laser et la longueur d'onde de la lumière laser de façon à ce que ledit plasma ait initialement, compte tenu de la composition de ladite cible, des caractéristiques de température et de densité déterminées, - on choisit pour ladite cible une forme sensiblement cylindrique et une longueur au moins égale au produit de la vitesse de propagation du son dans ladite cible par le temps pendant lequel on désire conserver les caractéristiques dudit plasma, temps pour lequel le bilan d'énergie est positif, et - on maintient, pendant au moins ledit temps, ledit flux laser arrivant sur ladite surface de ladite cible sensiblement constant et la position du plan focal dudit système optique dans la zone d'absorption du rayonnement laser par ledit plasma, lesdites caractéristiques dudit plasma n'étant alors pratiquement pas modifiées pendant ledit temps. 20/ Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on déplace, avec une vitesse sensiblement égale à la vitesse de propagation du son dans ladite cible, ledit système optique vers ladite cible ce qui a pour effet de maintenir sensiblement constant ledit flux laser arrivant sur ladite surface de ladite cible et ladite position dudit plan focal dans ladite zone d'absorption. 30/ Procédé suivant la revendication 1, carac térisé en ce que l'on déplace, avec une vitesse sensiblement égale à la vitesse de propagation du son dans ladite cible, ladite cible vers ledit système optique ce qui a pour effet de maintenir sensiblement constant ledit flux laser arrivant sur ladite surface de ladite cible et ladite position dudit plan focal dans ladite zone d'absorption. 40/ Procéde suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surface de ladite cible est choisie sensiblement égale a la surface de la tache focale dudit système optique. 5Q/ Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cible est un mélange de deutérium et de tritium à l'état solide. 6 / Procédé suivant la revendication5, carac térisé en ce que ledit mélange contient 50 % de deutérium. 70/ Dispositif de fusion thermonucléaire comprenant un laser, une enceinte dans laquelle on peut créer un vide secondaire et munie d'une fenêtre d'entrée du faisceau laser, une cible solide et un système optique placés dans ladite enceinte, ledit système optique focalisant ledit faisceau laser sensiblement sur la surface de ladite cible, ce qui a pour effet de créer un plasma, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour diminuer la distance de ladite cible audit système optique avec une vitesse sensiblement égale à la vitesse de propagation du son dans ladite cible, de sorte que le plan focal dudit système optique reste localisé dans la zone d'absorption du rayonnement laser par ledit plasma, en ce que la longueur de ladite cible est au moins égale au produit de la vitesse de propagation du son dans ladite cible par le temps pour lequel le bilan d'énergie devlent positif et en ce que le flux laser arrivant sur la surface de ladite cible est sensiblement constant pendant ledit temps. 80/ Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système optique est mobile. 90/ Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite cible est mobile. 100/ Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ledit système optique est un objectif. 11û/ Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ledit objectif a une grande ouverture. 12 / Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite cible est un mélange de deutérium et de tritium à l'état solide. 130/ Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le milieu actif dudit laser est solide. 14 / Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le milieu actif dudit laser est à gaz carbonique.