Brevet FR3146367A1 — publié le 20240906

Dispositif d’amplification de luminosité de collisionneur de particules destiné à l’augmentation des rendements de fusion nucléaire pour la production d’isotopes ou d’énergie. La théorie de son fonctionnement est basée sur les disciplines de la physique nucléaire et de l’optique des particules chargées. Son objectif principal est le contrôle des faisceaux intenses par l’intrication de champs électromagnétiques et la compensation des charges d’espace. En fonction de la nature des optimisations appliquées, l’appareil peut être un simple générateur d’isotopes pour laboratoire, une source d’énergie embarquée pour véhicule autonome ou devenir une installation de production à part entière. Amplificateur de luminosité pour réacteur à fusion nucléaire semi-confinée Le présent brevet d'invention porte sur un dispositif d'amplification de luminosité à destination des collisionneurs de particules. Deux domaines applicatifs sont envisagés: la production d'isotopes nucléaires et la génération continue d'énergie thermique ou électrique. Contexte et difficultés La probabilité d'interaction de la matière contenue dans deux faisceaux télescopés est beaucoup plus faible que lors de l'impact de particules accélérées sur une cible solide. Cependant il peut s’avérer techniquement bénéfique d’exploiter une configuration n’impliquant que des ions, nous proposons un dispositif apte à en améliorer le rendement. Lorsqu'un faisceau heurte de la matière dont la vitesse est nulle, il est d’usage d’écrire le taux de réaction comme suit: Avec R en s -1 , Σ la section efficace macroscopique en cm -1 , Φ le flux de particules incidentes en cm²/s, N la densité de la matière impactée en cm -3 et σ la section efficace microscopique en cm². Dans le cas de deux faisceaux télescopés, la quantité de matière impactée fluctue avec leur intensité et la qualité de la focalisation, d’où l’introduction du concept de luminosité. Le taux de réaction devient : Avec ℒ la luminosité en m -2∙ s -1 , N i le nombre de particules émises à chaque pulse des faisceaux, f Np la fréquence des pulses et σ xy la taille des faisceaux. Au delà des sections efficaces, propres à chaque type de collision, les deux paramètres d'importance pour améliorer le rendement sont l'intensité des faisceaux et leur taille. Le premier est fonction de l'efficacité de la source et le second de l'optique de focalisation. Ces deux paramètres sont enfin liés par un phénomène physique pénalisant: les charges d'espace. Si le franchissement de la barrière Coulombienne est facilité pour des faisceaux monodirectionnels, ce qui est l'attrait fondamental de la fusion contrôlée par accélérateurs, dégager un rendement de production intéressant ou une puissance volumique exploitable est impossible tant que ces charges d'espace ne sont pas compensées. Celles-ci étant le principal frein à la focalisation de plasmas denses et monochargés. Concept avancé Les deux faisceaux sont produits et guidés, depuis la source jusqu'au réacteur, au moyen de lignes optiques conventionnelles ou compactes. Le cœur est le lieu de rencontre des ions et assure la double fonction d'augmenter le rendement d'interaction et de récupérer les produits de réaction, qu'il s'agisse de noyaux ou d'énergie cinétique. Les faisceaux sont focalisés par le couplage de champs électromagnétiques intriqués qui vont engendrer l'apparition de noeuds et de ventres d'oscillation. Un nuage monochargé d'électrons confinés a pour fonction de supprimer les charges d'espace, d’amplifier la focalisation, d'améliorer l'alignement des faisceaux et de faciliter le diagnostic non intrusif par ses rayonnements (cyclotron et freinage). La récupération de l'énergie cinétique issue de la fusion peut se faire sous forme thermique par le blindage couplé à un circuit de refroidissement, ou directement sous forme électrique par des générateurs à radio-isotopes. La récupération des produits de réaction dépend de la nature et de l’énergie des particules émises: par refroidissement laser pour les isotopes munis d'électrons, sous forme de plasma ou sur des récepteurs solides pour les éléments trop rapides ou dépourvus d'électrons. Eléments constitutifs et fonctionnement Le dispositif d'amplification va prendre la forme d'un piège à ions dans une chambre sous vide positionnée à l'extrémité de deux lignes optiques dédiées au guidage et au tri des deux faisceaux (cf ). Ces lignes pourront être symétriques ou non, en fonction des rigidités magnétiques mises en jeu, et régulées automatiquement afin de s'adapter en temps réel aux fluctuations de la source ou des optiques. La focalisation de chaque faisceau dans le réacteur est assurée par une lentille de Einzel et des bobines d'Helmhotz disposées le long de la chambre afin d'obtenir un champ axial constant. Le confinement du nuage d'électrons consiste en quatre électrodes cylindriques chargées positivement et d'électrodes de fermeture percées de manière conique pour faciliter l'entrée des faisceaux (cf ). Le chargement est assuré par une source thermionique interne composée de plusieurs aiguilles d'hexaborure de lanthane chauffées par laser au travers de hublots saphirs. Le champ magnétique axial couplé au nuage d'électrons de profil transversal gaussien va entraîner pour les particules incidentes des trajectoires épitrochoïdales dont la période d’oscillation sera fonction de la divergence du faisceau, donc du potentiel appliqué à la Einzel (cf ). La mise en phase des deux faisceaux assure un rendement d’interaction maximum par la juxtaposition de leurs nœuds de focalisation. L'annulation des charges d'espace est optimum pour des densités en électrons et ions positif équivalentes. L'apparition de nœuds de focalisation chez ces derniers va attirer localement plus d'électrons qui draineront à leur tour de nouveaux ions positifs, phénomènes corrigeant théoriquement les légères incertitudes d'alignement des faisceaux. Le blindage est dimensionné pour l'arrêt de neutrons à 20MeV. L'enceinte sous vide est contenue dans un réservoir colinéaire en inox, contenant plomb et eau dans toutes les directions. Le liquide servira de caloporteur tandis que des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes pourront être disposés entre ces deux enceintes pour une conversion électrique directe du rayonnement ionisant. Puissance volumique Les deux réactions qui nous intéressent ici sont les fusions deutérium-deutérium et deutérium-tritium, pour des énergies dégagées respectives de 3 et 17MeV et des sections efficaces de 10 -2 et 5 barns à 100keV. Du point de vue analytique, l’efficacité d’un dispositif de production d’énergie nucléaire peut s’exprimer en puissance volumique suivant l’équation suivante: Avec P en W/cm 3 , n les densités en particules réactives en ions/cm 3 , ‘σ v’ le taux de réaction en cm 3 /s tabulé dans la littérature et W le défaut de masse de la réaction nucléaire exprimé en joules. L’application numérique nous donne 10 2 W/cm 3 pour un réacteur fissile conventionnel et 10 -11 W/cm 3 pour des faisceaux de DT intenses simplement télescopés. Du point de vue numérique, le dispositif a été simulé au moyen de codes de type PIC et validé par les équations analytiques propres aux pièges à ions. La configuration de base de l’amplificateur de luminosité, la plus désavantageuse car impliquant des champs aisément reproductibles sans cryogénie, avec du matériel de laboratoire et exclusivement du deutérium comme carburant, nous donne une puissance volumique de 10 -5 W/cm 3 . Les paramètres d’optimisation à notre disposition sont l’utilisation de cryogénie (une hausse du champ B d’un ordre de grandeur entraîne un gain en efficacité du piège de deux ordres de grandeur), d’une source expérimentale compacte (un ordre de grandeur sur l’intensité), d’une source de taille industrielle existante (quatre ordres de grandeur) et enfin l’interaction deutérium-tritium (trois ordres de grandeur à énergie d’extraction équivalente). L’impact de ces différents paramètres sur la puissance volumique du dispositif est synthétisé dans le tableau suivant : DD DT Télescopage 10 -11 10 -8 AdL 10 -5 10 -2 Cryogénie 10 -3 1 Source opt. 10 -2 10 1 Source indus. 10 1 10 4 Ces efficacités restent théoriques et l’adjonction de chaque optimisation entraîne des contraintes d’ingénierie supplémentaires. La dynamique et le comportement optique de l’interaction de faisceaux intenses avec un plasma monochargé sont relativement peu renseignés dans la littérature et restent à valider expérimentalement. En outre, la présente invention concerne : Un procédé d’amplification de luminosité destiné à améliorer le rendement de fusion nucléaire de deux faisceaux d’ions télescopés ; Une chambre de réaction caractérisée par le couplage de lentilles de Einzel, d’anneaux de garde, de bobines d’Helmholtz et d’électrodes de confinement longitudinales et radiales ; Une compression primaire des faisceaux caractérisée par l’utilisation d’un champ électrique radial couplé à un champ magnétique coaxial afin d’obtenir des trajectoires cycloïdales ; Une compression secondaire des faisceaux caractérisée par l’utilisation d’un nuage confiné de polarité opposée afin de supprimer les charges d’espace et favoriser l’apparition de nœuds de focalisation à densités amplifiées ; Un chargement du piège en électrons caractérisé par l’utilisation d’une source thermo-ionique placée à l’intérieur du cœur ; Un blindage et récupération d’énergie caractérisés en ce qu’ils sont par l’utilisation de plomb et d’eau pour le confinement des particules ionisantes ainsi que de générateurs à radio-isotopes ou de turbines sur circuit fluide secondaire pour la conversion de la chaleur en électricité ; Une récupération des produits de fusion caractérisée en ce qu’elle est par l’utilisation de lasers tridimensionnels de refroidissement pour leur immobilisation, permettant également leur interaction avec les faisceaux incidents et la disposition de réceptacles autour du champ de confinement Une ligne optique caractérisée par l’utilisation de deux sources d’ions dont les faisceaux sont guidés, triés et focalisés jusqu’à la chambre de réaction où ils sont télescopés Une amélioration du rendement de réaction à des fins industrielles caractérisée en ce qu’elle est par l’augmentation des champs magnétiques via supraconduction, l’utilisation de sources d’ions à haute intensité et l’annulation des charges d’espace dans toute la ligne par confinement généralisé d’électrons Dispositif d'amplification de luminosité à destination des collisionneurs de particules comprenant une chambre de réaction, un blindage et un récupérateur de chaleur, et des lignes optiques. Dispositif d'amplification de luminosité selon la revendication 1, la chambre de réaction étant caractérisée par le couplage de lentilles de Einzel, d’anneaux de garde, de bobines d’Helmholtz et d’électrodes de confinement longitudinales et radiales. Dispositif d'amplification de luminosité selon l’une des revendications précédentes, le blindage et le récupérateur de chaleur étant caractérisés par l’utilisation de plomb et d’eau pour le confinement des particules ionisantes ainsi que de générateurs à radio-isotopes et de turbines sur circuit fluide secondaire pour la conversion de la chaleur en électricité. Dispositif d'amplification de luminosité selon l’une des revendications précédentes, les lignes optiques étant caractérisées par l’utilisation de deux sources d’ions dont les faisceaux sont guidés, triés et focalisés jusqu’à la chambre de réaction où ils sont télescopés. Procédé d’amplification de luminosité destiné à améliorer le rendement de fusion nucléaire de deux faisceaux d’ions télescopés mis en œuvre dans le dispositif selon l’une des revendications précédentes , issus d’une ou plusieurs sources d’ions et guidés au travers d’une ligne optique. Les collisions ont lieu dans une chambre de réaction abritant un nuage de particules monochargé. Les faisceaux sont soumis à deux compressions, identifiées comme primaire et secondaire. Le nuage est créé suivant un procédé de chargement interne. Procédé d’amplification de luminosité selon la revendication 5, la compression primaire étant caractérisée par l’utilisation d’un champ électrique radial, provenant de lentilles de Einzel et d’anneaux de garde, couplé à un champ magnétique coaxial, généré par des bobines d’Helmholtz, afin d’obtenir des trajectoires cycloïdales. Procédé d’amplification de luminosité selon la revendication 5 ou 6, la compression secondaire étant caractérisée par l’utilisation d’un nuage confiné de polarité opposée à celle des faisceaux afin de supprimer les charges d’espace et de favoriser l’apparition de nœuds de focalisation à densités amplifiées. Procédé d’amplification de luminosité selon l’une des revendications 5 à 7, le chargement interne étant caractérisé par l’utilisation d’une source thermo-ionique. Procédé d’amplification de luminosité selon l’une des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que les produits de fusion sont récupérés, la récupération étant caractérisée par l’utilisation de lasers tridimensionnels de refroidissement pour leur immobilisation, permettant également leur interaction avec les faisceaux incidents, et la disposition de réceptacles autour du champ de confinement. Procédé d’amplification de luminosité selon l’une des revendications 5 à 9, le rendement de réaction étant amélioré, et ce à des fins industrielles, cette amélioration étant caractérisée par l’augmentation des champs magnétiques via supraconduction, l’utilisation de sources d’ions à haute intensité et l’annulation des charges d’espace dans toute la ligne par confinement généralisé de particules légères de charges opposées à celle des faisceaux.