Brevet FR2988897A1 — publié le 20131004

Production d'énergie par des réactions de fusion nucléaires aneutroniques initiées par lasers La présente invention vise une production d'énergie de fusion nucléaire par un nouveau schéma basé sur des faisceaux laser fonctionnant dans différents régimes d' impulsions . Selon l'usage général, une fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un nouveau noyau atomique qui est plus lourd que les noyaux initiaux. Toutefois, dans le cadre de la présente description, le terme de fusion nucléaire comprend aussi une réaction entre un proton, c'est-à-dire un noyau d'hydrogène, et un noyau de bore, dans la mesure où les noyaux produits sont plus lourds que le noyau d'hydrogène initial. La méthode qui a été envisagée jusqu'à la présente invention consiste à utiliser des faisceaux laser de très grande puissance pour confiner et chauffer des cibles d'un combustible. Ce combustible est constitué d'isotopes de l'hydrogène, c'est-à-dire de deutérium et tritium. Des réactions de fusion nucléaires sont ainsi provoquées, qui sont dites neutroniques car elles produisent des neutrons. La majeure partie de l'énergie qui est produite simultanément par ces réactions de fusion nucléaires neutroniques est alors récupérée à partir des neutrons eux-mêmes. Cependant, cette solution présente plusieurs inconvénients. En particulier, il n'existe pas, à l'heure actuelle, de matériaux résistants aux neutrons très énergétiques générés par une telle réaction, ce qui complique la récupération de l'énergie. De plus, le tritium est radioactif et présente une durée de vie limitée. Il n'existe donc pas dans la nature, et il faut donc le produire spécialement pour alimenter le réacteur. Cette production consomme elle-même une partie significative de l'énergie et nécessite en outre une technologie complexe d'irradiation. La présente invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production d'énergie par faisceaux laser, comprenant des étapes : /1/ mettre une cible de combustible en condition de plasma, en utilisant un premier ensemble de faisceaux laser, /2/ bombarder la cible de combustible en condition de plasma par des particules générées en utilisant un deuxième ensemble de faisceaux laser, le combustible et les particules étant choisis de manière que l'interaction entre la cible de combustible en condition de plasma et les particules produise des réactions de fusion nucléaires aneutroniques hors d'équilibre thermique, /3/ récupérer de l'énergie à partir d'ions générés par les réactions de fusion nucléaires aneutroniques. On appelle réaction aneutronique une réaction nucléaire qui ne produit pas directement de neutrons hors le bruit de fond. L'énergie est libérée sous forme d'ions. Les ions sont des particules chargées électriquement qui sont arrêtées très facilement par des champs électromagnétiques ou des atomes composant la matière environnante. Il est ainsi possible de faciliter la récupération de l'énergie et d'augmenter le rendement de la transformation de l'énergie de fusion en énergie électrique. L'énergie des ions peut se dissiper de trois manières : a) les ions produisent des réactions nucléaires secondaires dans le plasma contribuant à la production globale d'énergie ; b) les ions produits par les réactions de fusion nucléaires aneutroniques ont un libre parcours moyen de quelques micromètres et sont arrêtés par le plasma. Ils contribuent ainsi au chauffage du coeur de la cible et donc à la propagation des réactions jusqu'à la combustion de la cible ; c) l'énergie des ions peut être convertie en énergie thermique par l'arrêt des particules dans la matière ou transformée directement en courant électrique. Contrairement aux neutrons de 14 MeV produits dans les réactions de fusion du deutérium avec du tritium, l'arrêt des particules alpha dans la matière est bien connu. L'énergie des particules est convertie en chaleur puis, avec des échangeurs de chaleur en courant électrique. Une réaction aneutronique peut néanmoins entraîner la génération de réactions de fusion nucléaires secondaires neutroniques, c'est-à-dire produisant des neutrons. Cependant, le nombre de neutrons produits par les éventuelles réactions de fusion nucléaire neutroniques secondaires est très inférieur au nombre de neutrons produits par une réaction de type deutérium-tritium, dans un rapport qui peut être de l'ordre 1000, et ces neutrons sont moins énergétiques. La méthode proposée permet de produire des réactions de fusion en dehors de l'équilibre thermique, ce qui signifie que l'ensemble du combustible n'a pas besoin d'être chauffé à la température très élevée nécessaire pour produire un nombre non négligeable de réactions de fusion. L'énergie requise pour initier les réactions de fusion est apportée par le faisceau de particules. Les réactions de fusion peuvent ainsi démarrer avec des températures très inférieures à celles requises en régime d'équilibre thermique. Le fait que le combustible soit à l'état de plasma permet d'optimiser les réactions de fusion par rapport aux autres réactions possibles, telles l'ionisation. De plus, l'utilisation d'un plasma comprimé rend ce plasma opaque au rayonnement de freinage, ce qui permet de minimiser les pertes d'énergie. L'accélération de particules par laser, utilisée dans la phase 2, a connu un développement important depuis le début des années 2000 et conduit aujourd'hui à une bonne efficacité de conversion de l'énergie laser en particules énergétiques et à un bon contrôle de l'énergie des particules produites. Le combustible peut comprendre du bore ou de l'hélium-3, ou un mélange de bore et d'hélium-3, et les particules comprennent alors des protons ou des deutérons ou un mélange de protons et de deutérons. En variante, le combustible peut comprendre des protons ou des deutérons ou un mélange de protons et de deutérons, et les particules comprennent du bore ou de l'hélium-3 ou un mélange de bore et d'hélium-3. En variante encore, le combustible peut comprendre un mélange optimisé de bore 11, bore 10, hélium-3, protons, deutérons et béryllium, pour produire des réactions aneutroniques. Les combustibles aneutroniques comme le bore présentent souvent l'avantage d'être à l'état solide à la température ambiante, ce qui élimine la nécessité de mettre en oeuvre une étape de cryogénie. Le procédé de production d'énergie par lasers peut ainsi être simplifié. Une durée caractéristique des impulsions produites par le premier ensemble de faisceaux laser peut être comprise entre une picoseconde et vingt-cinq nanosecondes. Une durée caractéristique des impulsions produites par le deuxième ensemble de faisceaux laser peut être comprise entre 0,1 et 300 picosecondes. La cible de combustible peut présenter une géométrie sphérique, et comporter un noyau de combustible à l'état solide et une coquille entourant ledit noyau de combustible. L'étape /2/ comprend alors une opération de production des particules par irradiation de la coquille par le deuxième ensemble de faisceaux laser. En variante, la cible de combustible peut présenter une géométrie demi-sphérique. L'étape /2/ comprend alors une opération de production des particules par irradiation d'une cible par le deuxième ensemble de faisceaux laser. La cible peut, par exemple, être une feuille mince de plastique ou une mousse. En variante, la cible de combustible peut présenter une géométrie cylindrique. L'étape /2/ comprend alors une opération de production des particules par irradiation d'une cible par le deuxième ensemble de faisceaux laser. La cible peut, par exemple, être une feuille mince de plastique ou une mousse. L'invention a également pour objet un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment lorsque ce programme est exécuté par un processeur. L'invention a également pour objet un système de production d'énergie par faisceaux laser, comprenant : /1/ un premier ensemble de faisceaux laser configuré pour mettre une cible de combustible en condition de plasma, /2/ un deuxième ensemble de faisceaux laser configuré pour bombarder la cible de combustible en condition de plasma par des particules, le combustible et les particules étant choisis de manière que l'interaction entre la cible en condition de plasma et les particules produise des réactions de fusion nucléaires aneutroniques, /3/ des moyens de récupération d'énergie configurés pour récupérer de l'énergie à partir d'ions générés par des réactions de fusion nucléaires aneutroniques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :30 la Figure 1 est un schéma fonctionnel montrant un système de production d'énergie par faisceaux laser, selon un mode de réalisation de l'invention ; les Figures 2 à 4 sont des schémas représentant différentes formes de cibles de combustible aptes à être utilisées dans le système de la figure 1 ; et la Figure 5 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de production d'énergie par confinement inertiel selon un mode de réalisation de l'invention, cet organigramme pouvant représenter l'algorithme général du programme informatique au sens de l'invention. La figure 1 représente un système de production d'énergie par lasers comprenant 10 un premier ensemble de faisceaux laser 1, un deuxième ensemble de faisceaux laser 2, et des moyens de récupération d'énergie 3. Le premier ensemble de faisceaux laser 1 est configuré pour mettre une cible de combustible 4 en condition de plasma. Les impulsions qui sont produites par le premier ensemble de faisceaux laser 1 présentent une durée caractéristique de l'ordre de quelques 15 nanosecondes, par exemple comprise entre 5 ns (nanoseconde) et 10 ns. L'énergie des faisceaux laser 1 est par exemple de l'ordre de 300 kJ (kilojoule). Le deuxième ensemble de faisceaux laser 2 est configuré pour générer des particules de bombardement qui sont destinées à interagir avec la cible 4, une fois que celle-ci est en condition de plasma. Les impulsions qui sont produites par le deuxième 20 ensemble de faisceaux laser 2 présentent une durée caractéristique de l'ordre de quelques picosecondes, par exemple comprise entre 0,5 ps et 10 ps. L'intensité, la longueur d'onde, la durée et la forme des impulsions produites par le deuxième ensemble de faisceaux laser 2 sont en outre déterminées pour que les particules de bombardement présentent une énergie qui est proche de, ou supérieure à celle des résonances de la section efficace de la 25 réaction de fusion nucléaire considérée. Une énergie supérieure permet de prendre en compte les pertes d'énergie liées à la traversée du plasma entourant la cible de combustible 4. L'énergie des faisceaux laser 2 est par exemple de l'ordre de 70 kJ. Selon un mode de réalisation de l'invention, le combustible est du bore (11B) ou de l'hélium-3 (He3), et les particules de bombardement sont des protons ou des deutérons. 30 En variante, les mêmes réactions peuvent être obtenues en utilisant les protons ou les deutérons pour constituer le combustible, et le bore ou l'hélium-3 pour les particules de bombardement. La cible de combustible 4 peut présenter différentes formes. Comme représenté sur la figure 2, la cible de combustible 4 peut présenter une géométrie sphérique, et comporter un noyau de combustible 4a à l'état solide et une coquille 4b entourant le noyau de combustible 4a. La coquille 4b est réalisée dans un matériau riche en particules de bombardement, afin de permettre la production des particules de bombardement lors d'une irradiation de la coquille 4b par le deuxième ensemble de faisceaux laser 2. La coquille 4b est par exemple en plastique. Comme représenté sur la figure 3, la cible de combustible 4 peut également présenter une géométrie demi-sphérique. Une cible 5 est alors disposée à proximité de la cible 4, par exemple contre la face plane de la demi-sphère. La cible 5 est réalisée dans un matériau riche en particules de bombardement, afin de permettre la production des particules de bombardement lors d'une irradiation de la feuille 5 par le deuxième ensemble de faisceaux laser 2. La cible 5 est par exemple une feuille mince en plastique. Comme représenté sur la figure 4, la cible de combustible 4 peut également présenter une géométrie cylindrique. Une feuille mince 5 est disposée à proximité de la cible 4, par exemple enroulée autour de la cible 4. La feuille 5 est réalisée dans un matériau riche en particules de bombardement, afin de permettre la production des particules de bombardement lors d'une irradiation de la feuille 5 par le deuxième ensemble de faisceaux laser 2. La feuille 5 est par exemple en plastique. Les moyens de récupération d'énergie 3 sont configurés pour récupérer de l'énergie à partir d'ions générés par des réactions de fusion nucléaires aneutroniques entre la cible 4 en condition de plasma et les particules de bombardement. Les ions sont des particules chargées, par exemple des particules alpha (4He). En se référant à la figure 5, on décrit ci-dessous les étapes d'un procédé de production d'énergie par faisceaux laser, selon un mode de réalisation de l'invention. A l'étape Si, une cible de combustible 4 est mise en place dans une enceinte à vide, et le premier ensemble de faisceaux laser 1 est utilisé pour mettre la cible de combustible 4 en condition de plasma. Par exemple, lorsque la cible 4 présente une géométrie sphérique, les faisceaux laser 1 sont répartis uniformément autour de la cible 1 pour l'irradier de toutes parts, comme symbolisé par les flèches Fl sur la figure 2. Lorsque la cible 4 présente une géométrie demi-sphérique, les faisceaux laser 1 sont répartis uniformément sur la surface bombée de la demi-sphère, comme symbolisé par les flèches F1 sur la figure 3. Lorsque la cible 4 présente une géométrie cylindrique, les faisceaux laser 1 sont orientés à l'intérieur du cylindre, comme symbolisé par les flèches Fl sur la figure 4. Ainsi, le premier ensemble de faisceaux laser 1 permet, à partir de la cible de combustible 4, de créer et de chauffer un plasma qui se détend dans le vide engendrant la compression du coeur de la cible 4. Par exemple, chaque faisceau laser 1 délivre des impulsions de 1.5 nanoseconde, 10 avec une énergie de l'ordre de 300 kJ et une longueur d'onde de 0.53 p.m. Cela permet de créer un plasma chaud d'environ 12 millions de Kelvin et d'environ 500 p.m de diamètre. A l'étape S2, le deuxième ensemble de faisceaux laser 2 est utilisé pour générer et accélérer des particules qui bombardent la cible 4 en condition de plasma. Lorsque la cible de combustible 4 présente une géométrie sphérique, les faisceaux 15 laser 2 sont répartis uniformément autour de la cible 4, comme symbolisé par les flèches F2 sur la figure 2. Des particules de bombardement sont alors arrachées de la coquille 4b et irradient le coeur 4a de la cible 4. Lorsque la cible de combustible 4 présente une géométrie demi-sphérique, les particules de bombardement sont générées par irradiation de la feuille mince 5 par le 20 deuxième ensemble de faisceaux laser 2, comme symbolisé par les flèches F2 sur la figure 3. Lorsque la cible de combustible 4 présente une géométrie cylindrique, les particules de bombardement sont générées par irradiation de la feuille 5 par le deuxième ensemble de faisceaux laser 2, comme symbolisé par les flèches F2 sur la figure 4. 25 L'énergie des particules de bombardement est par exemple de l'ordre de 600 keV (kiloélectron-volt) lorsqu'elles atteignent le coeur de la cible 4, de façon à optimiser le nombre de réactions de fusion nucléaires aneutroniques. Les ions produits par les premières réactions de fusion nucléaires aneutroniques ont un libre parcours moyen de quelques micromètres et sont arrêtées par le plasma. Ils 30 contribuent ainsi au chauffage du coeur de la cible 4 et donc à la propagation des réactions jusqu'à la combustion de la cible 4. Par exemple, chaque faisceau laser 2 délivre des impulsions de 0,5 ps et d'intensité de l'ordre de 2.1018 W/cm2 (watt par centimètre-carré). A l'étape S3, les moyens de récupération d'énergie 3 récupèrent de l'énergie à partir d'ions générés par les réactions de fusion nucléaires aneutroniques. On notera que les étapes S2 et S3 sont mises en oeuvre simultanément. Les étapes Si à S3 sont répétées à une fréquence qui permet de produire de l'énergie électrique ou une propulsion par réaction. La fréquence est par exemple de l'ordre de quelques hertz. Les premier et deuxième ensembles de faisceaux laser 1, 2 sont préférablement synchronisés afin d'envoyer les particules de bombardement lorsque la cible de combustible 4 est à son maximum de compression et de température. Le procédé décrit ci-dessus peut par exemple être utilisé pour la production d'énergie électrique ou pour la propulsion de fusées. Ce procédé peut en outre permettre la production de sources de particules alpha, qui peuvent ensuite être utilisées à leur tour comme des sources impulsionnelles d'autres particules, par exemple neutrons, et de rayonnement gamma. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'énergie par faisceaux laser, comprenant des étapes : /1/ mettre une cible de combustible (4) en condition de plasma, en utilisant un premier ensemble de faisceaux laser (1), /2/ bombarder la cible de combustible en condition de plasma par des particules générées en utilisant un deuxième ensemble de faisceaux laser (2), le combustible et les particules étant choisis de manière que l'interaction entre la cible de combustible en condition de plasma et les particules produise des réactions de fusion nucléaires aneutroniques hors d'équilibre thermique, /3/ récupérer de l'énergie à partir d'ions générés par les réactions de fusion nucléaires aneutroniques. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le combustible comprend du bore ou de l'hélium-3 ou un mélange de bore et d'hélium-3, et les particules comprennent des protons ou des deutérons ou un mélange de protons et de deutérons. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le combustible comprend des protons ou des deutérons ou un mélange de protons et de deutérons, et les particules comprennent du bore ou de l'hélium-3 ou un mélange de bore et d'hélium-3. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une durée caractéristique des impulsions produites par le premier ensemble de faisceaux laser (1) est comprise entre une picoseconde et vingt nanosecondes. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel une durée caractéristique des impulsions produites par le deuxième ensemble de faisceaux laser (2) est comprise entre 0,1 picoseconde et 300 picosecondes. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible de combustible (4) présente une géométrie sphérique, et comporte un noyau de combustible (4a) à l'état solide et une coquille (4b) entourant ledit noyau de combustible, l'étape /2/ comprenant une opération de production des particules par irradiation de la coquille par le deuxième ensemble de faisceaux laser (2). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible de combustible (4) présente une géométrie demi-sphérique, l'étape /2/ comprenant une opération de production des particules par irradiation d'une feuille mince par le deuxième ensemble de faisceaux laser (2). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible de combustible (4) présente une géométrie cylindrique, l'étape /2/ comprenant une opération de production des particules par irradiation d'une feuille mince par le deuxième ensemble de faisceaux laser (2). 9. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 lorsque ce programme est exécuté par un processeur. 10. Système de production d'énergie par lasers, comprenant : /1/ un premier ensemble de faisceaux laser (1) configuré pour mettre une cible de combustible (4) en condition de plasma, /2/ un deuxième ensemble de faisceaux laser (2) configuré pour irradier la cible de combustible en condition de plasma par des particules,le combustible et les particules étant choisis de manière que l'irradiation de la cible en condition de plasma par les particules produise des réactions de fusion nucléaires aneutroniques, /3/ des moyens de récupération d'énergie (3) configurés pour récupérer de l'énergie à partir d'ions générés par des réactions de fusion nucléaires aneutroniques.