Brevet FR2550179A1 — publié le 19850208

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour produire des combustibles thermonucléaires ayant une polarisation de spin, et, en particulier, des isotopes d'hydrogène ayant une polarisation de spin. Un travail théorique récent publié par R M. Kulsrud et col,Phys Rev Lett 49 1248 ( 1982) indique que des deutérons et des tritons, qui sont respectivement des isotopes de masse 2 et de masse 3 de l'hydrogène,ont lorsqu'ils ont une forte polarisation de spin, des pro10 priétés très avantageuses en tant que combustibles pour l'utilisation dans des réactions thermonucléaires, comparés à des combustibles non polarisés plus classiques. Les avantages associés à ces combustibles à polarisation de spin comprennent des sections efficaces de réaction accrues qui conduisent à des rendements énergétiques plus élevés En outre, la distribution angulaire des neutrons énergétiques émis est restreinte, ce qui supprime ou simplifie considérablement un grand nombre des problèmes qui sont habituellement associés aux réacteurs comportant un 20 confinement magnétique et inertiel Certains des principes qui contribuent au procédé de l'invention pour produire ces combustibles à polarisation de spin sous une forme permettant leur utilisation pratique en tant que combustible pour réacteur et/ou sous forme de faisceaux fortement 25 polarisés, ont été développés sur une période de plusieurs années grâce à de nombreux travaux effectués en grande partie à l'Université de Syracuse, se trouvant à Syracuse, New York, E U A Parmi des publications représentatives décrivant ces travaux antérieurs, on peut citer: A Honig, 30 Phys Rev Lett 19,1009 ( 1967); R S Rubins et col,Phys Rev 169, 299 ( 1968); A Honig, Proc II Internat Conf on Polarized Targets, Berkley ( 1971) page 99; H Mano et col. Nuc Instrum and Methods 124, 1 ( 1975); A Honig et H Mano, Phys Rev 14 1858 ( 1976); A Honig, Proc of Symposium on 35 Experiments Using Enriched Antiprotons, Polarized Proton and Polarized Antiproton Beams at Fermilab Energies, Argonne Nat Lab ( 1977) page 186 (ANL-HEC-CP-77-45) L'art antérieur concerne principalement la production de H polarisé, pour des cibles à haute énergie. L'objectif principal que visent ces documents cités est de produire du D et du T polarisés, qui sont les principaux combustibles thermonucléaires, le H polarisé étant essentiellement annexe Il est d'importance capitale non seulement que les noyaux soient produits à l'état polarisé, mais également qu'ils restent polarisés à des températures supérieures à environ 10 K et dans des champs magnétiques modérés, dans lesquels on peut les manipuler aisément et les utiliser dans des modes et des configurations qui ont déjà été décrits pour des combustibles 15 consistant en isotopes d'hydrogène non polarisés A cet égard, certains modes et certaines configurations dans lesquels l'invention est utilisable sont décrits dans les brevets des E U A suivants: 3 624 239, 3 953 617, 4 017 578 et 4 154 868 Ces brevets concernent essentiel20 lement des pastilles de combustible congelées injectées séparément, des particules de combustible thermonucléaire encapsulées, des pastilles de deuterium (D 2) à l'état solide, sous forme de filaments produits de façon continue,et le dépôt de mélanges congelés de deuterium-tritium (D-T) dans des micro-ballons ou des micro-sphères Ccomeil apparaîtra de façon évidente à la lecture de la présente description, les combustibles polarisés décrits ici peuvent être employés dans presque n'importe quelle technique d'injection de combustible qu'on rencontre dans les structures du type Tokamak, à miroirs en tandem, ou à confinement inertiel, ou dans d'autres structures de réacteur connues. Un but essentiel de l'invention est d'améliorer des combustibles thermonucléaires. Un autre but de l'invention est de produire un combustible nucléaire à polarisation de spin, à l'état solide, qui comprenne les isotopes de l'hydrogène, c'est-à-dire des deutérons et/ou des tritons, à l'état polarisé. L'invention a également pour but de produire des combustibles à polarisation de spin dans lesquels des isotopes de l'hydrogène conservent une polarisation de spin, dans des conditions métastables, pendant de longues durées, à des températures dans la plage de 1 -10 K, et dans des champs magnétiques ne dépassant pas environ 0,1 Tesla. Un autre but encore de l'invention est de produire un combustible thermonucléaire contenant des isotopes d'hydrogène à polarisation de spin qui convienne pour l'utilisation dans la plupart des techniques d'injection de combustible actuellement connues, employées dans 15 une plage de températures supérieure à i K. Un autre but encore de l'invention est de réaliser une forte polarisation de spin de combustibles moléculaires mélangés dans une gamme de températures dans la région de 2-20 millièmes de degrés K, et de conserver la pola20 risation lorsque les combustibles sont chauffés à des températures supérieures à 10 K. L'invention a encore pour but de procurer un processus de commutation à relaxation pour la polarisation de spin nucléaire, qui permette la polarisation à des tempé25 ratures et des valeurs de champ magnétique correspondant à une polarisation d'équilibre élevée, et qui passe ensuite dans un état de blocage empêchant la dépolarisation lorsque la matière est soumise à des températures et des champs magnétiques correspondant à une faible polarisation d'équili30 bre. Ces buts de l'invention, ainsi que d'autres, concernent des combustibles nucléaires solides à polarisation de spin contenant des deutérons et/ou des tritons, dans le but d'améliorer les sections efficaces de réaction et d'au35 tres effets, afin de faciliter la fusion contrôlée, ces com- bustibles étant polarisés à des valeurs d'équilibre élevées et soumis ensuite à un processus de commutation par relaxation de spin qui permet au combustible de conserver pendant longtemps sa polarisation aux températures de l'hélium liquide et dans des champs magnétiques de faible intensité On utilise des transitions appropriées induites par un champ radiofréquence (RF), en association avec une diffusion de spin pour transférer la polarisation d'un isotope d'hydrogène à un autre dans les conditions de po10 larisation d'équilibre élevée, ou à la température de l'hélium liquide à laquelle la polarisation de spin est figée de façon métastable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en 15 se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil destiné à produire des combustibles solides polarisés contenant des deutérons et/ou des tritons; la figure 2 représente des niveaux d'énergie magnétique bipolaires couplés d'un proton et d'un deutéron dans deux molécules d'un cristal de HD; la figure 3 montre un échantillon d'ortho-deutérium contenant des impuretés HD introduites de façon aléatoire, et une faible concentration d'impuretés consistant 25 en ortho-hydrogène, pour produire du D 2 polarisé; la figure 4 représente une structure multicouche, obtenue par croissance épitaxiale, contenant des couches épaisses de D 2 et des couches plus minces alternées de HD et d'ortho-hydrogène (o-H 2) qu'on utilise pour produire du 30 D 2 polarisé; la figure 5 illustre la polarisation d'une couche mince de HT, obtenue par la croissance épitaxiale de cette couche sur un plus grand cristal polarisé de HD, et la figure 6 est une légende montrant les symboles 35 utilisés en relation avec les figures 3-5. On décrira initialement la production de IH -D à l'état solide, la flèche placée en haut et à gauche de la lettre correspondante indiquant un noyau polarisé. Cette description présente un certain nombre des princi5 pes de l'art antérieur qui sont utilisés ici selon des manières originales et non évidentes pour polariser d'autres solides moléculaires consistant en isotopes d'hydrogène. On montrera également comment produire t H ID en tant que matière finale importante à partir de laquelle on produit H t T et t D t T On part d'un échantillon de HD gazeux ayant une concentration en o-H 2 (orthohydrogène) d'environ -4 à 10-3 et, de façon générale, mais non nécessairement, une concentration comparable de p-H 2 (para-hydrogène) Les désignations "ortho" et "para" désignent des espèces à 15 symétrie moléculaire ayant respectivement des fonctions d'onde de spin nucléaire symétriques et anti-symétriques. On suppose pour les besoins de cette description que les concentrations de p-D 2 et o-D 2, avec la définition qui vient d'être donnée pour les termes para et ortho, sont négligeables, bien que ceci ne soit pas entièrement nécessaire En fait, pour des applications ultérieures, on peut introduire intentionnellement ces corps On solidifie le mélange gazeux et on place le solide résultant dans un champ magnétique élevé (Ho) et à une température basse (T), 25 de façon que les spins nucléaires deviennent polarisés Le degré de polarisation des noyaux dépend du rapport Ho/T, mesuré en Tesla/ K On considère qu'une polarisation utile est dans la plage de 20 % à 90 %, ce qui fait que les rapports Ho/T pour le proton doivent correspondre à une plage de 200 à 1450 Tesla/ K Pour une polarisation de 90 %, une paire caractéristique de valeurs de température et de champ magnétique correspond à T = 10 m K et H o= 14 T La polarisation d'équilibre est obtenue en une durée de l'ordre du temps de relaxation spin-réseau du proton (TH), qui n'est 35 pas excessivement long (moins de 1 jour) pour l'échantil- lon spécifié à 10 m K et 14 T A T= 4 K, ce temps est beaucoup plus court. La relaxation de protonsefficace dans le HD résulte de la concentration en impureté o-H, qui a elle5 même une relaxation rapide et permet la relaxation des protons voisins et distants dans HD par diffusion de spin Le temps de relaxation des protons pour o-H 2, (T-1 H 2) est très 2 P 1 sensible à la concentration en o-H 2 En restant dans les conditions de température et de champ magnétique corres10 pondant à une polarisation d'équilibre élevée pendant un temps suffisamment long pour que des réactions de conversion o-H 2 p-H 2 appréciables puissent avoir lieu, soit habituellement quelques jours à quelques semaines, il se produit une diminution de la concentration en o-H 2, et donc 15 un allongement des temps To 2 et T 1 Cet allongement es 1 H d temps de relaxation peut être élevé et conduire à un T 1 de l'ordre de plusieurs jours à une température de 40 K Il résulte de ceci que l'échantillon de HD polarisé peut être réchauffé jusqu'à 40 K et conserver sa polarisation 20 élevée à cette température, de façon métastable, ce qui permet de l'utiliser directement ou de l'utiliser pour polariser d'autres échantillons placés en contact avec lui, par des procédés qu'on décrira ultérieurement. On va maintenant considérer la figure 1 qui montre un appareil destiné à mettre en oeuvre l'invention, qui est désigné de façon générale par la référence 10. L'appareil 10 se comporte comme un dewar dans lequel se trouve un dispositif de réfrigération à dilution 12 contenant une enceinte d'isolation classique capable de mainte30 nir une température de 10 K, portant la référence 13 Une chambre de mélange 15 placée à l'intérieur est capable de produire des températures descendant jusqu'à 2-10 m K Un aimant supraconducteur 17 entoure l'ensemble des moyens de réfrigération et produit un champ magnétique de 10-20 T 35 dans l'échantillon et autour de celui-ci Un dispositif à tube 20 peut pénétrer dans le cryostat au moyen d'un sas à vide 21 permettant le passage Bien que ceci ne soit pas représenté, le sas contient des portes qui peuvent s'ouvrir et se fermer pour permettre d'introduire le dis5 positif à tube à l'intérieur du cryostat et pour le faire sortir Un réservoir de gaz 25 est monté au sommet du tube et un récipient d'échantillon 27 est vissé à la partie inférieure du tube et accepte un échantillon de gaz provenant du réservoir Le tube entre dans la région froi10 de en traversant le sas à vide comme il est représenté, et une paire de joints toriques en Teflon 28-28 empchent les fuites à partir de cette région. Le contact entre le récipient d'échantillon et la chambre de mélange s'effectue au moyen d'un accouplement 15 fileté s'adaptant à la chambre de mélange Comme on l'expliquera ci-après, l'accouplement séparable est nécessaire pour placer l'échantillon dans un second environnement à température plus élevée après que les noyaux ont été polarisés Un aimant permanent 35 est fixé au tube d'échantil20 lon et produit un champ d'environ 0,1 T autour du récipient d'échantillon Ce champ relativement modéré maintient le temps élevé de relaxation de protons,TH Iorsque l'échantillon est ultérieurement retiré du cryostat. Une bobine RF 37 entoure le récipient d'échan25 tillon Les conducteurs 39 et 40 qui vont à la bobine 37 sont en contact avec les bornes électriques 41 et 42 dans le tube Bien que ceci ne soit pas représenté, les conducteurs sortent du réservoir de gaz et sont connectés fonctionnellement à une source RF appropriée ayant n'importe quelle struc30 ture appropriée. On emplit initialement la région dewar principale avec de l'hélium liquide jusqu'au niveau 1 qui est représenté en pointillés sur la figure 1 Lorsqu'on a produit un échantillon solide polarisé dans le dispositif de réfrigé35 ration à dilution, on élève le niveau d'hélium jusqu'à un second niveau 2 et on retire l'échantillon du dispositif de réfrigération à dilution, par le sas à vide, qui fait également fonction de sas pour l'hélium liquide On n'extrait cependant pas le récipient d'échantillon du bain d'hélium Lorsque le récipient d'échantillon est sorti du sas, on fait tourner une plaque dewar tournante 50 et un déflecteur 52, refroidi à l'azote liquide, pour placer le récipient sur une seconde région de maintien de température 51 qui est à environ 4 K Des conducteurs de service 10 flexibles 48 et 49 passent entre le dispositif de réfrigération et la plaque pour permettre de faire tourner la plaque. On fait ensuite descendre le récipient d'échantillon repositionné, par l'intermédiaire du tube d'échan15 tillon, dans un dispositif de maintien de température 53 qu'on voit du côté gauche de la figure 1 L'utilisation du filetage à droite/à gauche permet de fixer tout d'abord le récipient d'échantillon à un accouplement fileté 55 dans la base et de le séparer ensuite du tube. Le dispositif de maintien comprend son propre aimant de maintien 56 qui fait en sorte que l'échantillon demeure dans un champ magnétique de maintien faible approprié pour éviter une dépolarisation rapide de l'échantillon On récupère l'échantillon au moyen d'un mécanisme 25 de récupération 57 entouré d'une enveloppe externe contenant de l'hélium liquide, qui comporte également son propre aimant de maintien 58 Le mécanisme de récupération est vissé dans un dispositif de levage 60 qui est logé de façon coulissante dans le dispositif de maintien Des ergots 61-61 30 empêchent la rotation du dispositif de levage à l'intérieur du dispositif de maintien, tout en permettant simultanément de soulever verticalement le dispositif de levage au moyen du mécanisme de récupération. Après avoir été retiré du dewar, l'échantillon peut être utilisé directement ou stocké dans un second dewar dans lequel un certain nombre d'échantillons polarisés peuvent être réunis pour former un plus grand échantillon. Comme on peut le voir, dans ce dispositif l'échantillon n'est jamais à une température supérieure aux températures 5 de l'hélium liquide et il conserve donc sa polarisation de spin nucléaire, figée de façon métastable On peut utiliser d'autres variantes de cet appareil dans la mise en oeuvre de l'invention. Une plage de rapport Ho/T de 1000 à 7500 est nécessaire pour que le D dans le HD soit polarisé dans la plage de 20 % à 90 % Une combinaison caractéristique de température et de champ magnétique pour une polarisation de % correspond à 2 m K et 15 T On a imaginé précédemment un moyen indirect pour polariser +D dans +HD à des rapports 15 Ho/T inférieurs à 1000 à 7500, et, en fait, à des rapports correspondant aux plus faibles donnés précédemment pour des protons, en utilisant une interaction avec le 'H polarisé dans $HD La bobine radiofréquence enroulée autour du tube d'échantillon sur la figure 1 est essentielle dans ce 20 but, ainsi que pour contr 8 ler le degré de polarisation des échantillons La théorie de la polarisation de D est illustrée sur la figure 2 Le diagramme montre les niveaux d'énergie magnétique d'un deutéron d'une molécule de HD, couplé par interaction dipolaire avec le proton d'une autre molé25 cule de HD, dans du HD solide, et m H et m D désignent respectivement les nombres quantiques de projection magnétique du proton et du deutéron Les six niveaux représentés correspondent aux six combinaisons(m H, m D) possibles Les lignes en pointillés indiquent des transitions radiofréquences partiel30 lement interdites, (t m H = 1, A m D = 1), entre les niveaux, dont la probabilité augmente selon une loi approximativement quadratique lorsque le champ magnétique diminue. Lorsque les protons dans HD sont polarisés alors que les deutérons ne le sont pas, comme dans le premier stade du procédé 35 pour HD, les niveaux 3 inférieurs sont peuplés de façon égale et les niveaux 3 supérieurs sont presque vides On peut voir aisément comment des transitions le long des lignes en pointillés peuvent produire une inéúalité parmi les niveaux m D, et donc une polarisation nucléaire Certaines 5 des techniques permettant d'obtenir une polarisation très efficace correspondent à des transitions interdites induites en régime permanent, à une saturation successive de transitions interdites à des champs magnétiques relativement faibles, et à un passage adiabatique rapide par les 10 transitions interdites De plus, un mélange de niveaux pendant des temps très courts à des champs magnétiques très faibles produit également une polarisation des deutérons à partir d'un échantillon de départ de HD dans lequel seuls les protons sont polarisés Ces procédés sont décrits dans le document précité de A Honig et H Mano, Phys Rev B 14, 1858 ( 1976) Il est préférable de mettre en oeuvre la procédure d'irradiation radiofréquence en utilisant des techniques de variation cyclique du champ magnétique, dans lesquelles on diminue temporairement le champ 20 magnétique à partir de sa valeur de champ élevée, pendant une durée très inférieure au temps de relaxation spinH réseau des protons, T 1 La probabilité de transition est donc élevée et la dissipation d'énergie radiofréquence pendant l'irradiation est plus faible On peut réaliser 25 l'irradiation radiofréquence soit dans le dispositif de réfrigération à dilution (à environ 10 m K), soit après que l'échantillon a été réchauffé jusqu'à-la région de température de l'hélium liquide 4 ordinaire, soit 1-40 K Dans le premier cas, on peut généralement obtenir une plus forte polarisation finale des deutérons, du fait que la polarisation d'équilibre des protons est rétablie après qu'ils ont partagé leur polarisation avec les deutérons On peut également obtenir une polarisation appréciable des deutérons après une polarisation des protons en un seul coup. Les exemples suivants présentent des procédés pour polariser des combustibles thermonucléaires comprenant HD, D, HT et DT, qui sont des applications originales des principes du procédé précédent de polarisation de $H t D, ou dans lesquels on produit le t H t D dans le but d'effectuer une polarisation par de nouvelles techniques décrites ici. EXEMPLE 1 On utilise l'appareil pour polariser D dans HD par un procédé direct de commutation de relaxation de p-D 2, analogue au procédé de commutation de relaxation de o-H 2 qui est utilisé pour polariser H dans HD Le rapport Ho/T exigé est supérieur à celui qui est exigé pour H polarisé, et ce rapport est dans la plage de 1000 7500 pour une polarisation de 20 % à 90 % En outre, une conver15 sion P-D 2 '-2 o-D 2 plus rapide que celle correspondant à la vitesse naturelle est exigée En utilisant une tige de piston au-dessus de l'échantillon solide, on peut appliquer une compression uniaxiale ou, de façon similaire,onpeut mettre sous pression l'hélium liquide au-dessus de l'échan20 tillon pour appliquer une pression hydrostatique à l'échantillon solide Chacun de ces procédés augmente la vitesse de conversion par des modifications des spectres de phonons Selon une variante, on peut introduire des défauts cristallins par un rayonnement ultraviolet, des rayons X, des rayons Y ou un rayonnement correspondant à un faisceau de particules de haute énergie, ce qui accélère la vitesse de conversion, comme il est indiqué indirectement dans la publication de Gaines, Tsugawa et Souers, Phys Rev Lett 42, 1717 ( 1979) On peut effectuer ceci dans l'appareil de 30 la figure 1, en utilisant pour la séquence des positions de l'échantillon dans les deux dispositifs une séquence inverse de celle qui est utilisée dans le processus de polarisation Après polarisation et réchauffage, on recuit les défauts à une température appropriée dans la phase solide, 35 en un temps court vis-à-vis de la vitesse de dépolarisation nucléaire, ou en réchauffant rapidement l'échantillon jusqu'à l'état liquide et en le recongelant, ce qui permet de conserver le D polarisé dans le HD, pendant de longues durées, dans la région de température de 4 K La structure cristalline médiocre qui résulte généralement d'une resolidification rapide n'a pas une grande importance Une bonne structure cristalline, essentiellement dans un but de conductivité thermique, n'est importante que dans le processus initial de production d'une polarisation éle10 vée. EXEMPLE 2 On produit du D polarisé, dans l'état ortho-D 2, en utilisant l'appareil et un procédé similaires à ceux décritsen relation avec HD Cette matière est importante 15 car elle procure un combustible thermonucléaire polarisé plus concentré, du fait qu'il n'y a pas de dilution avec l'hydrogène Elle est également importante du fait que le o-D 2 liquide possède un très long temps de relaxation spin-réseau On utilise le procédé décrit dans l'Exemple 20 1 ci-dessus pour polariser D dans D 2 La caractéristique nouvelle importante pour ce cas réside dans le fait que le D 2 consiste en o-D 2 presque pur, qui contrairement à son homologue p- H 2, possède un moment magnétique nucléaire résultant dans l'état rotationnel fondamental J = O, 25 et est donc polarisable On ne peut parvenir dans ce cas qu'à environ 90 % de la polarisation maximale qu'il est possible d'obtenir dans l'Exemple 1, à cause de la faible fraction de o-D 2 qui est dans l'état I = O, ayant un spin total non polarisable On ajoute à l'échantillon une fai30 ble concentration de p-D 2 (" 10 3) pour faciliter la relaxation spin-réseau dans la phase de polarisation du procédé Les mêmes limitations s'appliquent ici en ce qui concerne la nécessité d'une accélération de la conversion de p-D 2 à o-D 2 pour la faible concentration de p-D 2 qui 35 est introduite. EXEMPLE 3 On produit du T polarisé, dans un échantillon de DT ou de HT Le T polarisé est un combustible particulièrement important du fait qu'il possède la plus faible température de réaction nucléaire, parmi les isotopes de l'hydrogène On utilise ici des procédés analogues à la polarisation de H dans HD, mais en tenant compte d'importantes différences dans l'utilisation Premièrement, T a un moment magnétique nucléaire de valeur comparable à celle de H et un spin de 1/2, comme H Les rapports Ho/T 10 sont donc proches de ceux des protons, et vont de 190 à 1350 pour 20 % à 90 % de polarisation De plus, o-T 2 et P-T 2 jouent les mêmes rôles que o-H 2 et p-H 2 dans le HD. La principale caractéristique nouvelle qu'on considère ici consiste dans la radioactivité bêta des tritons Des échan15 tillons d'un volume d'environ 1 cm 3 aisément polarisables pour du HD solide, sont trop grands lorsqu'ils consistent en HT ou en DT solide La charge thermique provenant des rayons bêta absorbés émis par les tritons s'élève à envi3 ron'0,1 w/cm Ainsi, avec un dispositif de réfrigération 20 dont le pouvoir de refroidissement à 10 m K est de 10 p W, on est fondamentalement limité par ce procédé à un volume de HT ou de DT de 10 4 cm 3 En outre, du fait que le procédé exige des durées assez longues pour produire la polarisation (c'est-à-dire le temps de conversion o-T 2 > p-T 2, 25 si on recherche le caractère métastable aux températures plus élevées), les cristaux contenant des tritons accumulent des quantités relativement grandes de centres de dommages dus au rayonnement,ce qui rend les temps de relaxation spin-réseau extrêmement courts à des températu30 res voisines de 4 K En utilisant un cristal mince d'épaisseur inférieure à 1 pm, obtenu par exemple par croissance épitaxiale sur HD ou sur p-H 2, les dommages dûs au rayonnement qui affectent l'échantillon de HT sont limités du fait que la majeure partie des particules bêta n'est 35 pas absorbée dans l'échantillon de HT Dans ce procédé, on 255017 ? sépare aisément les tritons polarisés par rapport au substrat de HD ou de p-H 2, par ébullition en surface ou par distillation fractionnée On utilise le substrat de façon répétée pour traiter des couches minces de T polarisé, en 5 déposant par épitaxie les couches minces de HT (ou de DT) sur le substrat, en polarisant le T (et le D, si on utilise du DT), avec une combinaison des procédés précédents et d'une irradiation radiofréquence, et en extrayant par distillation le H t T ou le $D ?T On peut répéter ce 10 cycle. La dilution aléatoire de tritons dans du HD solide est une autre solution utilisable lorsque de petites quantités de tritons polarisés sont suffisantes et lorsque la présence de grandes quantités de H n'est pas nuisible, du fait qu'il est difficile de séparer le T du H dans cette application Une caractéristique supplémentaire de ce procédé consiste en ce que les centres de dommages dûs au rayonnement catalysent la conversion o-T 2-> p-T 2, comme dans le cas de la référence faite à la publication de Gai20 nes et col dans l'Exemple 1 ci-dessus Finalement, les centres de dommages dûs au rayonnement, seuls, produisent la relaxation spin-réseau sans la présence de o-T 2 pour réaliser la polarisation d'équilibre élevée, ce qui supprime la nécessité d'un temps d'attente de conversion long, avec l'accumulation résultante de dommages dûs au rayonnement Après la polarisation, on utilise des opérations de recuit de réchauffage rapide, effectuées avec un laser ou une source de chaleur à conduction, pour maintenir un temps de relaxation spin-réseau long à 4 K Aves des échantillons 30 de HT concentrés, on utilise un programme de recuit périodique exécuté avec une périodicité de quelques minutes pour éviter que les dommages dûs au rayonnement ne diminuent le temps de relaxation et ne produisent une dépolarisation dans la région de température de 1-4 K Des expériences conduisent à prévoir une dépolarisation d'environ 50 % tou- tes les 1000 secondes à une température de 10 K pour du HT ou du DT concentré, sous l'effet des dommages dûs au rayonnement généré de façoninterne, et toutes les 100 secondes à 41 K En diluant le HT ou le DT dans HD ou p-H 2, le régime de recuit exigé est beaucoup moins sévère, comme c'est en particulier le cas dans des cristaux d'une épaisseur d'environ 1 pm qu'on fait croitre entre des couches alternées de HD ou de p-H 2, de 3 à 10 pm d'épaisseur. Dans ce dernier cas, les dommages dus au rayonnement sont 10 concentrés dans la partie du cristal qui consiste en HD ou en p-H 2, et ils n'affectent pas fortement le temps de relaxation des tritons Bien que de faibles quantités seulement de T polarisé soient produites à un moment donné à cause de la charge thermique, le temps total nécessaire pour produire le petit échantillon de T polarisé est très court du fait qu'aucun temps d'attente de conversion n'est nécessaire Il est ainsi possible d'obtenir en une durée raisonnable de grands échantillons accumulés à partir de polarisations successives de petits échantillons. 20 EXEMPLE 4 On polarise 'D dans H f D en utilisant une irradiation radiofréquence pour induire des transitions comme sur la figure 2, et dans cette opération, le temps de conversion est éliminé du fait qu'il n'est pas nécessaire que 25 H soit polarisé de façon métastable aux températures de 1 à 4 K Du point de vue de la fusion, la présence de H non polarisé a peu d'importance On prépare l'échantillon avec une concentration importante de o-H 2 (-103 10), pour donner une vitesse de relaxation des protons proche du maximum possible Du fait que la polarisation de H ne doit pas être préservée à 4 K, ceci n'a pas d'importance, mais il faut tenir compte de la charge thermique supplémentaire de la conversion de o-H 2 lorsqu'on polarise de grands échantillons (> 10 cm 3) La concentration de p-D 2 est extrêmement 35 faible ( 10-6) et elle est obtenue par purification ou par conversion préalable, de façon qu'en l'absence d'une conver- sion p-D 2 -> o-D 2 appréciable pendant le processus de polarisation, qui est inévitable du fait que le but est de parvenir à un processus de polarisation de courte durée, le temps de relaxation de D à 40 K soit toujours très long Le procédé dérive-donc du processus de polarisation de D assisté par radiofréquence pour HD qu'on a envisagé précédemment, mais un temps d'attente long pour la conversion o-H 2 > P-H 2 n'est pas exigé dans le procédé qu'on considère ici. EXEMPLE 5 On prépare un échantillon de D 2 de façon que D T 1 soit initialement très long, en maintenant la concentration de p-D 2 à une valeur très faible ('10-6) On ajoute HD + o-H 2 avec de faibles concentrations, ce qui 15 permet au D d'être fortement polarisé aux rapports Ho/T qui correspondent à des protons, plutôt qu'à ceux qui correspondent à des deutérons Deux configurations spatiales sont indiquées La première est représentée sur la figure 3 On mélange de façon aléatoire environ 1-10 % de 20 HD et environ 10-3 à 102 de o-H 2, dans la phase gazeuse, avec le o- D 2 pur, après quoi on poursuit comme dans l'Exemple 4 ci-dessus Les t D dans les molécules aléatoires de t H t D transmettent leur polarisation aux D voisins dans les molécules de o-D 2, après quoi la diffusion 25 de spin assure la propagation de la polarisation parmi tous les noyaux de D Du fait que la concentration de o-D 2 est supérieure à celle de HD, on doit accomplir une polarisation répétée de H et de D dans HD, mais ceci n'est pas difficile, du fait que le temps de relaxation des protons 30 est maintenu à une valeur courte Le processus de polarisation complet pour un grand échantillon ne doit pas exiger plus d'un jour. La figure 4 montre une autre configuration géométrique On fait croître ici des couches alternées de o-D 2 35 pur et de (HD + o-H 2), par épitaxie simple en phase vapeur ou en phase liquide Les couches de D 2 mesurent de fagon caractéristique entre environ 1 pm et 10 pm d'épaisseur, tandis que les couches de (HD + o-H 2) dans lesquelles la concentration de o-H 2 est d'environ 103 10 2, doivent avoir une épaisseur de quelques pourcent (t 10 %) de l'épaisseur des couches de D 2, de façon à ne pas diluer excessivement le D polarisé avec des protons Ici encore, comme dans l'Exemple 4, des repolarisations répétées du HD sont nécessaires L'avantage de cette configuration 10 spatiale consiste en ce que le o-H 2 et le HD sont bien couplés dans leur couche, et que la diffusion de spin à partir d'une source plane est relativement plus efficace qu'à partir de sources ponctuelles Comme précédemment, il n'est pas nécessaire que les t H conservent leur pola15 risation dans la région de température de 4 K, et on peut mettre en oeuvre le procédé de polarisation en des temps relativement courts qui sont de façon générale inférieurs à un jour. EXEMPLE 6 On dépose par épitaxie HT sur t H t D ou IHD aux températures de l'hélium liquide, ce qui évite les problèmes de charge thermique du dispositif de réfrigération à dilution qui résultent de la radioactivité des tritons On fait démarrer le processus de polarisation 25 avec du HT solide n'ayant initialement pas de dommages dûs au rayonnement La concentration de o-T 2 est très faible ( 10-4 ou moins, en fonction de la durée pendant laquelle on désire stocker le H f T polarisé) En déposant par épitaxie des couches de HT d'environ 1 pm d'épaisseur 30 sur t H t D ou t HD, comme le montre la figure 5, la polarisation des protons diffuse vers les H dans les molécules de HT, et les transitions radiofréquences provoquent très rapidement le transfert de la polarisation de t H vers T, sans exiger une diffusion de spin pour la polarisation de T Le diagramme de niveauxd'énergie correspondant est similaire à celui de la figure 2, en ce qui concerne son conte- nu physique, mais du fait que le spin de T est 1/2, il n'existe que 4 niveaux, c'est-à-dire deux niveaux supérieurs correspondant à m H = 1/2, m T = 1/2, et deux niveaux inférieurs correspondant à m H= -1/2, m T + 1/2. L'utilisation de dépôts minces de HT d'environ i pm rend le HT moins sensible à des dommages par le rayonnement correspondant à des particules bêta, par rapport à des couches de HT plus épaisses ou à du HT massif Même dans le cas le plus défavorable de couches de HT épaisses, il est toujours 10 possible d'obtenir une valeur de 1000 secondes pour le paramètre TH effectif à 10 K, ce qui est proche de la valeur du i temps de relaxation spin-réseau des tritons, conduisant ainsi à du t T polarisé utile, avec ou sans cycle de recuit. On considère que les régions des températures de l'hélium 15 liquide comprennent les températures de l'hélium 3 liquide, H et T descendant jusqu'à 0,30 K, pour donner des temps T et T 1 T plus longs. EXEMPLE 7 On dépose par épitaxie du DT sur du t H 1 D, ce qui 20 donne du 'D t T polarisé Ce procédé est similaire en majeure partie à celui de l'Exemple 6 ci-dessus, à l'exception du fait que le D dans le DT est polarisé par diffusion de spin à partir du %D dans le t H ?D, après quoi le T dans le DT est polarisé avec les transitions radiofréquences correspon25 dant presque exactement à la situation de la figure 2, avec m H remplacé par m T La diffusion de spin de t D est plus lente que celle de t H, ce qui fait que le procédé de l'Exemple 6 est quelque peu préférable L'avantage du procédé considéré ici consiste en ce qu'on obtient immédiatement du 30 IDIT polarisé Bien entendu, on peut injecter en tant que combustibles polarisés des jets parallèles de H t D et de H i T, et le combustible résultant peut avoir presque la même utilité que let D t T. Dans les descriptions faites ci-dessus, on procède 35 à un chauffage rapide des cristaux jusqu'à des températures qui correspondent toujours à la phase solide, pour le recuit, ainsi qu'à un chauffage rapide faisant passer par la transition de phase vers l'état liquide, pour effectuer un recuit effectif, dans lequel on obtient une dis parition immédiate de tous les défauts atomiques Ces opérations sont ensuite suivies par une recristallisation rapide ou une diminution de température rapide jusqu'à la température de stockage Pour ces excursions thermiques, le temps passé dans la phase solide près du point de fu10 sion doit être maintenu court, du fait que la diffusion spatiale qui se produit de façon active près du point de fusion crée un mécanisme efficace de relaxation spinréseau, et donc de dépolarisation L'examen des temps de relaxation mesurés qui interviennent montre qu'il est 15 parfaitement réalisable de traverser cette région dans la direction du chauffage ou dans la direction du refroidissement sans faire apparaître une dépolarisation appréciable On peut effectuer le chauffage rapide sur des échantillons de volume notable en utilisant un rayonne20 ment électromagnétique accordé de façon à pénétrer suffisamment dans l'échantillon, empêchant ainsi l'apparition de goulots d'étranglement de conductivité thermique Pour les échantillons déposés très minces, un simple chauffage par conduction peut également être efficace Les temps de 25 relaxation varient dans les phases liquides ou gazeuses, mais ils sont suffisamment longs dans la plupart des cas. Par exemple, le temps de relaxation des protons dans la plage de température de 20 K pour le HD liquide dépasse secondes, tandis que pour le o-D 2 dans la phase liquide, 30 le temps de relaxation des deutérons est d'environ 1000 secondes Ces temps sont certainement suffisants pour produire la liquéfaction-et la recondensation sans perte appréciable de la polarisation de spin nucléaire De façon similaire, à partir de la phase liquide, on dispose d'un temps 35 largement suffisant pour former un jet gazeux à densité éle- vée par évaporation rapide, sans subir une dépolarisation importante On peut utiliser ceci pour un combustible nucléaire dans le mode d'émission de bouffées de gaz, ou bien on peut utiliser le combustible sous la forme de jets polarisésà densité élevée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé pour produire des deutérons polarisés dans du-HD solide, caractérisé en ce que: on produit un échantillon de HD contenant une concentration de 104 à 103 en p-D 2; on soumet simultanément l'échantillon à un champ magnétique d'intensité élevée et à une température basse, de façon que le rapport H 0/T soit dans une plage comprise entre 1000 et 7500, qui correspond à une plage de polarisation de deutérons de 20 % à 90 %; et 10 on laisse une quantité suffisante de p- D 2 se convertir en o-D 2, de façon que le temps de relaxation des deutérons polarisés soit relativement long aux températures de 1 ' hélium liquide ordinaire et dans des champs magnétiques faibles. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération supplémentaire qui consiste à soumettre l'échantillon à une contrainte externe pour augmenter la vitesse de conversion de p-D 2 en o-D 2 À 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérationsqui consistent à irradier l'échantillon avec un rayonnement de haute énergie pour produire dans l'échantillon des centres de défauts destinés à augmenter la vitesse de conversion, et 25 à recuire l'échantillon pour supprimer ces défauts après la polarisation, l'opération de recuit étant effectuée en un temps inférieur au temps de dépolarisation du deutéron, pour obtenir un état de polarisation élevémétastable aux températures de l'hélium liquide ordinaire. 4 Procédé pour produire des deutérons polarisés dans du HD solide, caractérisé en ce que: on produit un échantillon de HD pur; on irradie l'échantillon solide à environ 4 K avec un rayonnement à haute énergie pour créer des centres de défauts qui se comportent comme des agents de relaxation vis-à-vis des deutérons polarisés; on soumet simultanément l'échantillon à un champ magnétique d'intensité élevée et à une température basse, de façon que le rapport Ho/T soit dans une plage d'environ 1000 à 7500, correspondant à une plage de polarisation des deuté5 rons de 20 % à 90 %; et on recuit l'échantillon pour supprimer les défauts, après la polarisation, cette opération de recuit étant effectuée en un temps inférieur au temps de dépolarisation, pour obtenir un état à polarisation élevée métastable aux températures de l'hélium liqui10 de ordinaire et avec des champs magnétiques faibles. Procédé pour produire des deutérons polarisés dans du D 2 solide, caractérisé en ce que: on produit un échantillon de o-D 2 pur; on ajoute à l'échantillon une concentration de p-D 2 comprise entre 104 et 10 3, pour 15 faciliter la relaxation spin-réseau de l'échantillon; on soumet l'échantillon à un champ magnétique élevé et à une température relativement basse, de façon que le rapport Ho/T soit dans une plage comprise entre 1000 et 7500, correspondant à une plage de polarisation des deutérons de 20 18 % à 80 %; et on laisse une quantité suffisante de p-D 2 se convertir en o-D 2, de façon que le temps de relaxation des deutérons soit relativement long aux températures de l'hélium liquide ordinaire et dans des champs magnétiques faibles. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération qui consiste à appliquer de façon externe une contrainte à l'échantillon pour augmenter la vitesse de conversion de p-D 2 en o-D 2. 7 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les opérations consistant à irradier l'échantillon avec un rayonnement de haute énergie pour produire des centres de défauts destinés à augmenter la vitesse de conversion de p-D 2 en o-D 2, et à recuire l'échan35 tillon pour supprimer ces défauts après la polarisation, cette opération de recuit étant effectuée en un temps inférieur au temps de dépolarisation des deutérons, pour obtenir un état de polarisation élevée métastable aux températures de l'hélium liquide ordinaire et dans des champs magnétiques faibles. 8 Procédé pour produire des deutérons polarisés dans du D 2 solide,caractérisé en ce que: on produit un échantillon de o-D 2 pur; on irradie l'échantillon solide à environ 4 K avec un rayonnement de haute énergie 10 pour produire des centres de défauts, dans le but d'agir sur la relaxation de spin des deutérons; on soumet l'échantillon à un champ magnétique élevé et à une température relativement basse, de façon que le rapport Ho/T soit dans une plage comprise entre environ 1000 et 7500, ce qui cor15 respond à une plage de polarisation des deutérons d'environ 18 % à 80 %; et on recuit l'échantillon pour supprimer les défauts, en un temps inférieur au temps de dépolarisation des deutérons, afin d'obtenir un état de polarisation élevéemétastable aux températures de l'hélium liquide ordi20 naire et dans des champs magnétiques faibles. 9 Procédé pour produire des tritons polarisés dans du HT ou du DT solide, caractérisé en ce que: on pro duit un échantillon sélectionné parmi l'une des matières comprenant HT et DT; on ajoute à l'échantillon une concen25 tration de o-T 2 comprise entre 10 et 10-3; on place l'échantillon dans un dispositif de réfrigération à dilution ( 12) et on soumet simultanément l'échantillon à un champ magnétique d'intensité élevée, de façon que le rapport H /T soit compris entre 190 et 1350, ce qui correspond o à une plage de polarisation des tritons de 20 % à 90 %; on limite la quantité de tritons-dans l'échantillon de façon que la charge thermique qui résulte du rayonnement bêta des tritons qui est absorbé ne dépasse pas la capacité d'extraction de chaleur du dispositif de réfrigération à 35 dilution ( 12); on laisse une quantité suffisante de o- T 2 se convertir en p-T 2, de façon que le temps de relaxation des tritons polarisé, induit par o-T 2, soit relativement long aux températures de l'hélium liquide ordinaire; et on recuit périodiquement l'échantillon polarisé pour conser5 ver le temps de relaxation spin-réseau long à la température de l'hélium liquide ordinaire et dans des champs magnétiques faibles. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie de l'échantillon con10 tenant des tritons est inférieure à un micrnètre, pour limiter les dommages accumulés dûs au rayonnement. 11 Procédé pour produire des tritons polarisés dans du HT ou du DT solide, caractérisé en ce que: on produit un échantillon sélectionné parmi l'une des matières comprenant HT et DT; on place l'échantillon dans un dispositif de réfrigération à dilution ( 12) et on l'expose simultanément à un champ magnétique d'intensité élevée, de façon que le rapport H o/T soit compris entre environ 190 et 1350, ce qui correspond à une plage de polarisation des 20 tritons de 20 % à 90 %; on limite la quantité de tritons dans l'échantillon de façon que la charge thermique résultant du rayonnement bêta des tritons qui est absorbé ne dépasse pas la capacité d'extraction de chaleur du dispositif de réfrigération à dilution ( 12); on laisse les centres de 25 dommages dûs au rayonnement, produits par le rayonnement bêta des tritons, agir sur la relaxation de spin de l'échantillon polarisé; et on recuit périodiquement l'échantillon polarisé pour conserver la relaxation spin-réseau longue aux températures de l'hélium liquide ordinaire et dans des champs 30 magnétiques faibles. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie de l'échantillon contenant des tritons est inférieure à un microètre pour limiter les dommages accumulés dûs au rayonnement. 13 Procédé pour produire des tritons et des 35 ie. deutérons polarisés dans du DT solide contenant des tritons polarisés, caractérisé en ce que: on place un échantillon du DIT solide dans un champ radiofréquence; et on fait varier de fagon cyclique un champ magnétique environ5 nant, tout en induisant avec des radiofréquences des transitions partiellement interdites entre des niveaux d'énergie magnétique des tritons et des deutérons, pour polariser directement les deutérons. 14 Procédé pour produire des deutérons polari10 sés dans du HD solide, caractérisé en ce que: on produit un échantillon de HD contenant une concentration de o-H 2 com-3 -22 prise entre 103 et 102; on soumet l'échantillon à un champ magnétique d'intensité élevée et à une température relativement basse, de façon que le rapport Ho/T soit com15 pris entre 200 et 1450, ce qui correspond à une plage depolarisation finale pourles protons (deutérons)d'environ 20 % à 90 %; on place l'échantillon polarisé dans un champ radiofréquence; et on fait varier le champ magnétique de façon cyclique et on induit avec le champ radiofréquence des transi20 tions partiellement interdites entre des niveaux d'énergie magnétique des protons et des deutérons, afin de polariser directement les deutérons. Procédé pour produire des deutérons polarisés dans du D 2 solide, caractérisé en ce que: on produit un échantillon de o-D 2 contenant une concentration de HD comprise entre 1 et 10 % et une concentration de o-H 2 comprise entre 10-4 et 10-3; on soumet simultanément l'échantillon à un champ magnétique d'intensité élevée et à des températures basses, de façon que le rapport H /T soit compris entre 200 O et 1450, ce qui correspond à une plage de polarisation finale pour les deutérons d'environ 18 % à 80 %; on place l'échantillon contenant des protons polarisés dans un champ radiofréquence; et on fait varier de fagon cyclique le champ magnétique et on induit avec le champ radiofréquence des tran35 sitions partiellement interdites entre les niveaux magnétiques 26. des protons et des deutérons, grâce à quoi les deutérons sont polarisés directement et par diffusion de spin. 16 Procédé pour produire des tritons polarisés dans du HT solide, caractérisé en ce que: on dépose par 5 épitaxie des couches alternées de HT sur des couches de HD solide, à des températures de 0,3 à 4 K, dans lesquelles les protons dans le HD sont polarisés et les deutérons sont polarisés ou non polarisés, les couches de HD étant considérablement plus épaisses que les couches de HT; on laisse diffuser la polarisation des protons dans la couche de HD, pour polariser les protons dans les couches de HT, par diffusion de spin; on place les couches dans un champ radiofréquence; et on induit avec des radiofréquences des transitions partiellement interdites entre les niveaux 15 d' énergie couplés des protons polarisés et des tritons non polarisés, pour polariser directement ces tritons. 17 Procédé pour produire des tritons et des deutérons polarisés dans du DT solide, caractérisé en ce que: on dépose par épitaxie des couches alternées de DT sur des couches de HD solide, aux températures de l'hélium liquide, dans lesquelles les deutérons dans le HD sont polarisés et les protons sont polarisés ou non polarisés, les couches de HD étant considérablement plus épaisses que les couches de DT; on laisse diffuser la polarisation des 25 deutérons dans les couches de HD de façon à polariser les deutérons dans les couches de DT; on place les couches dans un champ radiofréquence; et on induit avec les radiofréquences des transitions partiellement interdites entre les niveaux d'énergie couplés des deutérons polarisés et des tri30 tons non polarisés, pour polariser directement les tritons. 18 Procédé pour produire des noyaux t D et t T à l'état liquide et gazeux, à partir d'échantillons solides contenant les noyaux t D et t T, caractérisé en ce qu'on chauffe rapidement la matière en exposant la matière solide à 35 une source de rayonnement électromagnétique d'intensité éle4 vée, à des longueurs d'onde qui pénètrent dans la matière solide pour chauffer cette matière afin de produire une élévation de-température uniforme et une transformation de phase, avec une rapidité suffisante pour que le temps de chauffage et le temps de transformation de phase soient inférieurs au temps de relaxation de spin nucléaire-réseau pour tout incrément de température ou tout changement de phase rencontré dans le processus. 19 Appareil pour produire des combustibles thermonucléaires polarisés à l'état solide, caractérisé en ce qu'il comprend: un dewar à deux étages ( 10) comportant une première région de traitement et une seconde région de maintien ( 51); un tube d'échantillon ( 20) qui est monté de façon coulissante pour pouvoir se déplacer dans 15 une direction verticale dans une plaque ( 50) montée de façon tournante dans le dewar, de façon à tourner dans un plan horizontal; un récipient d'échantillon ( 27) vissé à la partie inférieure du tube ( 20), au moyen d'un accouplement fileté qui communique par le tube avec un réservoir 20 d'échantillon ( 25); un aimant permanent ( 35) qui entoure le récipient d'échantillon ( 27); une chambre d'isolation placée dans la région de traitement, qui contient un sas à vide ( 21) que peut traverser le tube d'échantillon ( 20), et un dispositif de réfrigération à dilution ( 12) auquel 25 le récipient d'échantillon peut être vissé; un aimant de forte intensité ( 17) entourant le dispositif de réfrigération à dilution ( 12); des moyens pour amener le bain d'hélium liquide à un premier niveau au-dessous du sommet de la chambre d'isolation pendant qu'un échantillon est traité, 30 et à un second niveau au-dessus de la chambre d'isolation pendant que le tube d'échantillon ( 20) est retiré de la chambre, afin de maintenir le récipient d'échantillon ( 27) dans le bain au moment de son enlèvement, grace à quoi on peut faire tourner le récipient d'échantillon pour l'amener dans 35 la région de maintien ( 51); des moyens de maintien ( 53) dans la région de maintien qui comportent des moyens filetés ( 55) destinés à s'accoupler au récipient d'échantillon ( 27) afin que le récipient puisse être vissé dans les moyens amaintien au moment o il est dévissé du tube, en 5 utilisant un filetage à gauche/à droite; un aimant permanent ( 56) qui entoure les moyens de maintien; et des moyens destinés à extraire le récipient d'échantillon ( 27) du dewar ( 10) tout en maintenant l'échantillon à une température d'échantillon qui correspond à la température 10 de l'hélium liquide.