Brevet FR2498799A1 — publié le 19820730

- 2498799 Procédé de fusion à plasma confiné par l'inertie, produisant une fluence de rayonnement à source linéaire. La présente invention se rapporte d'une manière générale aux réacteurs de fusion, et elle concerne plus particulièrement un appareil d'irradiation du combustible. Les- réacteurs de fusion thermonucléaire re- présentent une solution possible et remarquable du problème de l'énergie à long terme. Un domaine intéressant de la recherche sur les réacteurs de fusion, concerne l'étude des possibilités de fusion par laser, la fusion étant produite dans une pastille de matière contenant du deutérium et (ou) du tritium que l'on éclaire au moyen d'une impulsion lumineuse intense, cohérente et, de préférence, sphériquement symétrique provenant d'un laser. L'énergie d'une impulsion suffisamment intense de lumière provenant d'un laser est concentrée à la surface de la pastille cible et cette énergie est absorbée par la surface de la pastille, ce qui provoque la vaporisation de cette surface et son expansion à grande vitesse à partir du centre de la pas- tille. La force de réaction provenant de cette expansion, comprime lereste de la pastille et lui donne une densité élevée. L'effet combiné de l'éclai- rement et de la compression porte le plasma résultant à une température éle- vée. Si la combinaison de la durée, de la température et de la densité du plasma comprimé est suffisamment importante, il se produit une réaction de fusion du deutérium et (ou) du tritium qui créera plus d'énergie qu'il n'était nécessaire pour comprimer et chauffer la pastille et, de ce fait, il y aura une production nette d'énergie. Du fait que, pendant un court moment de la fusion, le plasma est confiné par l'inertie de la matière constituant la pastille comprimée, le procédé décrit ci-dessus est appelé "procédé de fusion à plasma confiné par inertie". La réaction de fusion libère en grande quantité des rayons X et des rayonnements d'ions et de neutrons. Le rayonnement peut être utilisé pour produire une énergie utile par chauffage d'un fluide de refroidisse- ment et il peut également produire des transformations nucléaires utiles dans des assemblages combustibles et de couverture situés dans le réacteur. Les neutrons peuvent créer une énergie supplémentaire en provoquant des réactions de fusion dans des assemblages combustibles proches. Il n'est donc pas nécessaire qu'un réacteur de fusion à plasma confiné par l'inertie soit capable d'une production nette d'énergie, pour être utile dans les transformations nucléaires mentionnées ci-dessus, en particulier dans les transformations de matières nucléaires de substance fertile en substance fissile. Un réacteur de puissance utilise, de manière classique, des pas- tilles de combustible en succession rapide, par exemple plus de 10 pas- tilles à la seconde, et le flux de rayonnement atteint la surface de l'en- veloppe de sécurité du réacteur (appelée la "première paroi") et les sur- faces des assemblages combustibles et de couverture en de brèves et inten- ses bouffées qui suivent chaque implosion de pastille et qui peuvent dé- truire les surfaces d'impact. On a pensé que l'implosion de la pastille par laser nécessitait un éclairement uniforme de sa surface, de sorte que la compression de la pastille soit également uniforme. Dans l'art antérieur, la pastille est éclairée simultanément par plusieurs faisceaux laser provenant de sources montées à intervalles autour d'une cuve sphérique de réacteur, la pastille étant placée au centre. Les sources de rayons sont, de manière caractéris- tique, des systèmes oDtiques comprenant des miroirs et des prismes qui dis- persent un faisceau laser venant d'un seul laser, en plusieurs faisceaux qui sont dirigés ensuite vers la pastille dans différentes directions. La pastille devient une source ponctuelle de plasma qui émet un rayonnement uniforme dans toutes les directions. Les récents développements de l'art antérieur indiquent qu'un éclairement moins uniforme, et même un éclairement bilatéral peut suffire. La source produisant le flux n'irradie uniformément la première paroi et les assemblages combustibles et de couverture que si ces éléments sont conformés de manière à présenter au flux de rayonnement une surface sphérique centrée sur le site d'implosion. Une irradiation uniforme de la première paroi est souhaitable pour répartir plus largement la chaleur pro- duite et, ainsi, diminuer les températures de pointe de la paroi et par conséquent, réduire l'érosion et d'autres mécanismes d'endommagement de cette paroi. L'irradiation uniforme des assemblages de couverture est sou- haitable pour les mêmes raisons et également parce qu'elle optimise la pro- duction d'isotopes nucléaires. Un flux uniforme de neutrons dans les assem- blages combustibles réduit les températures de pointe et les flux de cha- leur, augmentant de ce fait la durée de vie utile de ces assemblages. Malgré les avantages de l'irradiation uniforme, il n'est pas pra- tique de donner à la première-paroi et aux assemblages combustibles et de couverture une forme sphérique ou quasi-sphérique. Des considérations de construction permettent d'imaginer qu'il est préférable que ces éléments soient de forme cylindrique. L'objet principal de la présente invention est de fournir une irradiation cumulative sensiblement uniforme de réacteurs non sphériques. La présente invention consiste principalement en un réacteur de fusion thermonucléaire comprenant une cuve de réacteur dans laquelle est produite la réaction du combustible constituant la source defusion; et un moyen disposé par rapport à cette cuve du réacteur pour créer une irradia- tion du combustible constituant la source de fusion à l'intérieur de la cuve du réacteur, ce moyen d'irradiation comprenant un moyen de modifica- tion de position pour faire varier le point d'impact du rayonnement venant du moyen d'irradiation sur le combustible constituant la source de fusion, en vue de la création d'énergie. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels: - la figure 1 est une vue schématique d'un réacteur de fusion par laser; - la figure 2 est une vue schématique illustrant un premier exem- ple de réalisation de la présente invention; - la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 2; - la figure 4 est une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation de la présente invention; et - la figure 5 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 4. On se reportera maintenant à la figure 1 qui illustre schématique- ment la conception fonda-mentale d'un site variable d'implosion de pastille dans un réacteur de fusion. A la figure 1 sont représentés les éléments suivants qui sont con- sidérés comme faisant partie de l'art antérieur dans les dispositifs de fu- sion à plasma confiné par l'inertie: une couverture inférieure 1 et une couverture supérieure 2 dans lesquelles sont placées des matières nucléai- res en vue de la régénération d'isotopes utiles (le tritium et le plutonium 239 étant les produits habituels); plusieurs assemblages radiaux 3 de cou- verture dans lesquels des isotopes utiles peuvent également être créés; un groupe d'assemblages combustibles 4 dans lesquels l'énergie peut être créée par une fission nucléaire produite par des neutrons libérés par le processus de fusion de la pastille; un système 5 d'introduction des pastilles; plu- sieurs sources 6 de faisceaux, les faisceaux préférés étant une lumière Drésent laser; un moyen pour évacuer la chaleur, représenté dans e cas/sous la forme d'un échangeur de chaleur 7 au sodium liquide comportant une entrée 8 et une sortie 9; et une première paroi 10, destinée à envelopper toutes les surfaces intérieures du réacteur exposées au rayonnement provenant di- rectement de la fusion de la pastille. La pastille est introduite dans le réacteur par le système 5 d'in- troduction et, par gravité et impulsions, elle parcourt le trajet A-A indiqué à la figure 1. Suivant l'art antérieur, lorsqu'elle atteint le site central Il d'implosion, la pastille est éclairée par les faisceaux 19, ce qui amorce une réaction de fusion dans la pastille. L'irradiation (non représentée) pro- venant de la pastille émane alors du site 11 et frappe la première paroi 10 et tous les assemblages 2, 3 de couverture et les assemblages combustibles 4. La caractéristique nouvelle de la présente invention réside dans la variation de la position axiale du site 11 d'implosion de la pastille. La figure 1 représente un intervalle B-B le long du trajet A-A, cet inter- valle représentant le lieu des points également espacés choisis comme sites d'impulsion. La variation de la position axiale du site a pour effet de faire apparaître le rayonnement qui atteint les éléments du réacteur comme s'il provenait d'une source linéaire. Le flux de rayonnement intégré par rapport au temps, défini comme étant la fluence, est une fluence à source linéaire. La longueur de l'intervalle B-B est limitée de telle sorte qu'au- cun site ne se trouve, de manière prohibitive, proche de la première paroi 10. A la figure 1 sont représentés des sites d'implosion 12 et 13. Le choix d'un site d'implosion s'effectue par le réglage du temps de déclenchement du laser de telle sorte que la pastille se trouve dans le site désiré, et par le réglage du trajet lumineux provenant du laser. La variation de la position des sites d'implosion le long du trajet A-A peut s'effectuer par échelons discrets même entre les introduc- tions successives de pastilles mais, de préférence, elle peut se faire par des changements opérés sur une période de plusieurs jours ou plusieurs se- maines. La description de la répartition des sites d'implosion dans le temps et dans l'espace le long de l'intervalle B-B afin d'obtenir une flu- ence de rayonnement à source linéaire dans les assemblages radiaux 3 de couverture, les assemblages combustibles 4 et la première paroi 10, peut être préprogrammée ou mise au point pendant le fonctionnement du réacteur en réponse aux mesures de rayonnement. Il peut se produire des cas dans lesquels on désire une fluence de rayonnement à source linéaire non uniforme qui peut être obtenue par une fréquence appropriée d'implosions dans l'intervalle B-B. La variation axiale de la position des sites d'implosion dans l'intervalle B-B adapte la fluence à l'utilisation de la forme cylindri- que pour la première paroi 10, les assemblages combustibles 4 et les assem- blages radiaux 3 de couverture. Pour fournir un moyen permettant de faire varier le site d'implo- sion des pastilles dans le procédé de fusion à plasma confiné par l'inertie, les éléments optiques du système à laser doivent permettre la concentration des faisceaux sur un lieu de points (B-B). En outre, le moyen pour réaliser cette variation de position du foyer doit conserver sensiblement les carac- téristiques d'éclairement symétrique afin d'éviter de donner une impulsion dissymétrique à la pastille pendant l'implosion. Une première solution pour réunir ces conditions consiste simplement à relever ou à abaisser les sour- ces 6 du système à faisceau laser, comme le représente la figure 2. La figu- re 2 est une vue schématique d'un;réacteur de fusion à plasma confiné par l'inertie, dans lequel les sources 6 de faisceaux de la figure 1 sont re- présentées équipées d'un système de miroirs optiques 14. Comme le représen- te la figure 2, les deux derniers miroirs 14 de chacune des sources 6 de faisceaux peuvent être relevés ou abaissés d'une hauteur suffisante pour faire varier le lieu des sites d'implosion sur une distance souhaitée. Le couplage des sources 6 de faisceaux et du reste du système à faisceau la- ser est réalisé au moyen d'un joint coulissant 15 dans une disposition ana- logue à celle d'un périscope, comme le représente le détail de la figure 3 pour une des sources 6 de faisceaux. Cette solution nécessite pour chacune des sources 6 de faisceaux une pénétration souple 17 aux points d'accès su- périeurs et inférieurs du réacteur, de manière à permettre un certain de- gré de translation horizontale des sources 6 de faisceaux lorsqu'elles sont relevées ou abaissées. La position A à la figure 2 est prévue pour corres- pondre à une concentration du faisceau laser sur le site 13 d'implosion, tandis que la position B correspond à une concentration du faisceau laser sur le site 12 d'implosion. La figure 4 illustre une deuxième disposition permettant d'obte- nir un réglage linéaire ou un lieu variable des sites d'implosion. La fi- gure 4 est une vue schématique d'un réacteur de fusion à plasma confiné par l'inertie, dans lequel les sources 6 de faisceaux ne sont pas mobiles comme celles de la figure 2. Ce concept utilise les techniques d'optique adaptive (voir Active Optical Devices and Applications - Volume 228, Dis- positifs optiques actifs et applications, tome 228, des comptes-rendus SPIE, 1979) pour modifier la courbure ainsi que l'orientation de miroirs souples 18 dans chacune des sources 6 de faisceaux. Cette modification est illustrée par un miroir souple 18 qui est représenté à la figure 5 sous trois formes différentes avec des modifications à la fois de la cour- bure et de l'angle d'inclinaison. L'effet résultant est une variation de la position du foyer du miroir 18 dans l'intervalle B-B le long de l'axe A-A. Si la modification est opérée de manière appropriée pour toutes les sources 6 de faisceaux, le foyer de tous les faisceaux 19 (dont 4 sont représentés à la figure 4) se trouvera à l'endroit désiré pour l'implo- sion de la pastille dans l'intervalle B-B le long de l'axe A-A. Des variations de la distance focale des miroirs souples 18, de l'ordre de + 5 %, devraient être suffisantes pour réaliser les varia- tions de position du site d'implosion qui intéressent le présent concept. Il existe une possibilité que des distances focales inégales des sources supérieures et inférieures de faisceaux laser aient pour effets une dissymétrie de l'intensité d'éclairement et,par conséquent, une impulsion sur la pastille, vers le haut ou vers le bas, pendant l'im- plosion. Si cela crée des difficultés, on peut prévoir une compensation de cette dissymétrie en introduisant des aberrations optiques dans le com- portement adaptif des dispositifs optiques, afin d'assurer une intensité d'éclairement symétrique. Ces aberrations ont pour effet de modifier légè- rement la distance focale des sources supérieures ou inférieures 6 de faisceaux, afin de régler de manière appropriée la symétrie de l'intensité d'éclairement. Bien qu'on ait décrit ci-dessus deux procédés possibles pour four- nir un lieu de sites d'implosion, il est bien évident qu'on peut prévoir d'autres moyens, y compris optiques et mécaniques, et d'autres techniques pour réaliser le réglage de faisceaux laser. La présente invention ne se limite pas à la fusion pour laser; elle peut être utilisée également dans des systèmes dans lesquels sont uti- lisés d'autres faisceaux énergétiques déclenchant la fusion, tels que des faisceaux électroniques. Les réacteurs illustrés aux figures 1, 2 et 4 comporteront bien entendu de nombreux éléments qui ne sont pas inclus dans les présentes puisqu'ils ne sont pas considérés comme faisant partie de la présente in- vention. On suppose, par exemple, que des systèmes classiques seront uti- lisés pour régler le temps de déclenchement des sources 6 de faisceaux, de sorte que la pastille, pendant son déplacement,est éclairée par le ou les faisceaux dans le site d'implosion proprement dit. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, la sélection du site d'implosion pourrait résulter d'une déci- sion automatique basée sur une fluence de rayonnement calculée de façon continue par un ordinateur à l'aide de niveaux détectés de flux de rayonnement. R E Y E N D I C A T I 0 N S 1. Réacteur de fusion thermonucléaire comprenant une cuve de réacteur dans laquelle est produite la réaction du combustible constituant la source de fusion, et un moyen disposé par rapport à cette cuve du réac- teur pour créer une irradiation de ce combustible constituant la source de fusion, ce réacteur étant caractérisé en ce que le moyen d'irradiation com- prend un moyen de modification de position pour faire varier le point d'im- pact du rayonnement venant du moyen d'irradiation surlecombustible consti- tuant la source de fusion, en vue de la création d'énergie. 2. Réacteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour communiquer un mouvement au combustible sous forme de pastille le long d'un trajet linéaire dans le réacteur; et en ce que le moyen de modification de position comprend un moyen de modifi- cation de position linéaire pour faire varier sélectivement le point d'im- pact du rayonnement sur le combustible le long d'une partie au moins de ce trajet linéaire en vue de la création d'énergie le long de ce trajet liné- aire, de sorte que les éléments du réacteur soient soumis à un rayonnement à source linéaire. 3. Réacteur suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de rayonnement comprend au moins une source à laser. 4. Réacteur suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que le moyen de modification de position comprend des sources réglables en position au moyen de joints coulissants. 5. Réacteur suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que le moyen de modification de position comprend des miroirs souples équipés de moyens de réglage de leur courbure et de leur angle d'inclinaison.