La fusion par confinement inertiel et la production d énergie par laser. Bruno Le Garrec

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1 La fusion par confinement inertiel et la production d énergie par laser Bruno Le Garrec Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i Praha 9 JNROP Cargese 18/10/2012 Page 1

2 Plan de l exposé Quelques rappels de physique La fusion dans le contexte énergétique La fusion par confinement inertiel Principe d inertie et mise en mouvement de l ablateur Différents schémas d allumage Plasmas créés par laser et par Tokamak Panorama laser, programmes lasers actuels JNROP Cargese 18/10/2012 Page 2

3 Fusion et fission E= mc 2 JNROP Cargese 18/10/2012 Page 3

4 Energie de liaison par nucléons (MeV) 16 O 54 Fe 12 C 4 He 235 U 7 Li 6 Li T 3 He D H A : nombre de nucléons du noyau JNROP Cargese 18/10/2012 Page 4

5 Energie de liaison par nucléons (MeV) 16 O 54 Fe 12 C 4 He hélium (28 MeV) U 7 Li 6 Li T 3 He tritium (9 MeV) + D deutérium (2 MeV) H + A : nombre de nucléons du noyau JNROP Cargese 18/10/2012 Page 5

6 Fusion et fission JNROP Cargese 18/10/2012 Page 6

7 Pourquoi avec du DT? La réaction D+T He + n est la plus favorable parce que la section efficace est la plus grande pour une énergie minimale JNROP Cargese 18/10/2012 Page 7

8 Pourquoi la réaction de fusion est difficile? La cohésion des nucléons dans le noyau est le résultat de deux forces : la force électrique à longue portée repousse les particules de même charge et attire celles de charges opposées La force nucléaire à courte portée fait s attirer les nucléons entre eux Deux principes : confiner le plasma apporter de l énergie au système Deux régimes : Temps courts ( gamme qlq ps-qlq ns) Temps longs : recherche de la stationnarité (régime continu) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 8

9 La fusion dans le contexte énergétique FCI (ICF, IFE) : Fusion par Confinement Inertiel, Inertial Confinement Fusion, Inertial Confinement Energy Fusion par lasers, Z-pinch, ions lourds FCM (MCF, MFE) : Fusion par Confinement Magnétique, Magnetic Confinement Fusion, Magnetic Confinement Energy Tokamaks, stellarators et autres machines magnétiques JNROP Cargese 18/10/2012 Page 9

10 Une comparaison fusion énergie classique C + O 2 => CO 2 + chaleur (8 kcal/g) ou 0,3 ev par noyau de C 1 kg de DT tonnes de Carbone Le confinement est tel que l énergie cinétique des noyaux contrebalance l énergie de répulsion électrostatique Température T ~10 8 K Produit densité x temps de confinement n τ ~10 14 s/cm 3 Cas Magnétique : n ~10 14 cm -3 τ ~1s Cas Inertiel : n ~10 23 cm -3 τ ~10-9 s JNROP Cargese 18/10/2012 Page 10

11 Produit densité x temps de confinement nt ~1014 s/cm3 Cas Inertiel : Cas Magnétique : n ~1023 /cm3 t ~10-9 s n ~1014 /cm3 t ~1s Référence commune JNROP Cargese 18/10/2012 Page 11

12 A turning point for fusion physics Emergence of the Tokamak IAEA Novosibirsk (Août 1968) T3 atteint 10 millions de degrés Confirmé en 1969 par physiciens anglais JNROP Cargese 18/10/2012 Page 12

13 Des cœurs de mieux en mieux isolés Tore Supra 25 m 3 ~ 0 MW th Autochauffage 0% JET 80 m 3 ~16 MW th Autochauffage 10% ITER 830 m 3 ~ 500 MW th Autochauffage 70% Réacteur ~ m 3 ~ MW th Autochauffage 80-90% JNROP Cargese 18/10/2012 Page 13

14 La logique ITER pour la fusion JNROP Cargese 18/10/2012 Page 14

15 La fusion par confinement magnétique JNROP Cargese 18/10/2012 Page 15

16 La fusion par confinement inertiel JNROP Cargese 18/10/2012 Page 16

17 Pourquoi la réaction de fusion est difficile? La cohésion des nucléons dans le noyau est le résultat de deux forces : la force électrique à longue portée repousse les particules de même charge et attire celles de charges opposées La force nucléaire à courte portée fait s attirer les nucléons entre eux Le principe de la FCI consiste à comprimer un mélange DT contenu dans une capsule à une densité suffisante pour qu il puisse s enflammer T ~10 8 K et brûler plus vite qu il ne se détend Le confinement est tel que l énergie cinétique des noyaux contrebalance l énergie de répulsion électrostatique JNROP Cargese 18/10/2012 Page 17

18 Principes du confinement inertiel 1/ L ablateur : Absorbe l énergie laser S échauffe rapidement Éjecte de la matière Entre en mouvement par réaction 2/ Une irradiation symétrique : Permet la compression Jusqu à l obtention d un point chaud à très haute température et très haute densité Puis la combustion du mélange JNROP Cargese 18/10/2012 Page 18

19 Physique des plasmas : interaction laser-matière Définition de la densité critique: ω L = 2πc/λ ω e = (4πn e c 2 /m) 1/2 n c = (mπc 2 /e 2 )/λ 2 Plus la densité est élevée Et plus il faut une courte longueur d onde Pour pénétrer le plasma On caractérise la compression par le produit ρr en fonction de la température, de la pression, Ou de la vitesse du choc JNROP Cargese 18/10/2012 Page 19

20 Condition d allumage Critère de Lawson: G DT = 2 (l énergie de fusion est de l ordre de 2 x l énergie thermique fournie au DT) Allumage: G DT = 10 (l énergie déposée localement par les α, diminuée des pertes radiatives, équilibre l énergie interne fournie au DT) Breakeven scientifique : G DT > 100, soit G Cible > 1, objectif des expériences avec NIF et LMJ JNROP Cargese 18/10/2012 Page 20

21 Quelques jalons historiques de la FCI par laser 1960 Theodore Maiman Découverte du laser 1969 Francis Floux Premiers neutrons de fusion par laser au CEA-Limeil Valenton 1972 John Nuckolls* Principe de la fusion par confinement inertiel ** «Laser compression of matter to super-high densities: thermonuclear applications» Nature 239, 129 (1972) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 21

22 La physique des hautes densités d énergie et de l ignition avec le LMJ L objectif des expériences de physique des plasmas menées auprès des lasers, et en particulier avec la réalisation du National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis et du Laser MégaJoule (LMJ) en France, est d étudier la fusion par confinement inertiel (FCI). L objectif principal des expériences auprès du Laser MégaJoule est la combustion d un mélange fusible constitué d atomes de deutérium et de tritium (DT) libérant 10 fois plus d énergie en fusionnant que l énergie apportée à la cible par le laser. Étude de la matière sous des conditions de température et de pression extrêmes pour la validation des modèles physiques dans le domaine thermonucléaire. Produire en laboratoire des phénomènes physiques tels que ceux observés dans les systèmes stellaires - jets de matière hyper véloce, instabilités hydrodynamiques JNROP Cargese 18/10/2012 Page 22

23 Différents schémas d allumage Attaque directe laser laser paroi en or Attaque indirecte laser rayons X laser gaz Allumage rapide JNROP Cargese 18/10/2012 Page 23

24 Attaque directe L énergie laser est directement fournie au système DT JNROP Cargese 18/10/2012 Page 24

25 L attaque indirecte CAVITÉ EN OR DT JNROP Cargese 18/10/2012 Page 25

26 L attaque indirecte CAVITÉ EN OR Rayons X UNIFORMITÉ D ÉCLAIREMENT Rendement faible JNROP Cargese 18/10/2012 Page 26

27 L attaque directe est la solution retenue pour LMJ La capsule est à l intérieur d une cavité en or (le hohlraum) L interaction du rayonnement laser avec la paroi en or génère un flux de rayons X Rayonnement X Rayonnement X R(θ,φ) flux X (θ,φ,t) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 27

28 L allumage rapide (Tabak, 1995) Impulsions courtes et intenses ( ps, > W/cm 2 ) 1 : formation d un canal 2:électrons/proton s relativistes et chauffage du DT JNROP Cargese 18/10/2012 Page 28

29 L allumage rapide Impulsions courtes et intenses ( ps, > W/cm 2 ) Utilisation d un cône pour le passage du PW. JNROP Cargese 18/10/2012 Page 29

30 L allumage rapide La compression guidée par un cône évite le "perçage" du plasma d'interaction, comme l'a démontré récemment une équipe ILE/RAL sur Vulcan et Gekko XII. Le cône en or permet la propagation du laser PW sans interaction avec le plasma d'interaction jusqu'à ~50µm du cœur comprimé. Les rendements de neutrons par réactions d(d,n)3he augmentent de 104 à 107. La conversion laser PW - énergie thermique a été montrée de l'ordre de 20%-30%. Si l'on peut maintenir cette efficacité pour des impulsions de 10 ps et une énergie multi-kj, on peut "allumer" une cible avec ~80kJ. R.Kodama et al. Nature (2001); 418, 933 (2002) Osaka, RAL, IC, Oxford, Essex & QUB JNROP Cargese 18/10/2012 Page 30

31 FCI par attaque directe, indirecte + allumage rapide Allumage rapide Transport électronique Dépôt énergie Couronne T > 2 kev, < n e <10 22 Interaction laser plasma Surface critique Plasma ablaté Transport électronique et radiatif Front d ablation P > 100 Mb Instabilités hydrodynamiques Combustible comprimé Allumage point chaud Transport produits de fusion JNROP Cargese 18/10/2012 Page 31

32 Les lasers pour la FCI : Etats des lieux Lasers de Fusion (applications défense et physique des armes) France, LMJ : montage de 5 chaînes (40 faisceaux) Etats-Unis, NIF : 192 faisceaux centre chambre, début de la campagne de physique «ignition» depuis mars 2009 Russie, Iskra 6 : au stade de projet, financement décidé en avril Prototype LUCH transformé en PetaWatt (mars 2008) Chine : le prototype TIL. Shen Guang 3 à 48 faisceaux en Projet Shen Guang 4 (1,5 MJ horizon 2018) Installations ouvertes : Omega, Gekko 12, Vulcan, LULI JNROP Cargese 18/10/2012 Page 32

33 Tour du monde des installations de fusion OMEGA (Rochester) depuis 1984 NIF (Livermore) 2009 LMJ (CEA) => 2014 JNROP Cargese 18/10/2012 Page 33

34 LIL, LMJ et PETAL LIL et PETAL 8 faisceaux ns + 1 faisceau PW Chambre D expérience LIL 8 faisceaux PETAL LMJ 160 faisceaux ns + 16 faisceaux ps (dont le faisceau PW de la LIL) Etage de Compression

35 35 m m 3 de béton tons de fers à béton

36 2010 : 40 faisceaux 2014 : 80 faisceaux 2018 : 160 faisceaux LMJ en Août

37 La chambre d experiences JNROP Cargese 18/10/2012 Page 37

38 Les halls en cours de montage JNROP Cargese 18/10/2012 Page 38

39 Le NIF (National Ignition Facility) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 39

40 Le concept d unité remplaçable en ligne 1,999 LRUs installed to date JNROP Cargese 18/10/2012 Page 40

41 CASCADE : concept «bétonnière» Cascade est une variante Sombrero basé sur le concept «bétonnière». Les premières idées remontent à 1985 (LLNL) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 41

42 HiPER «européen» HiPER : 28 laboratoires de 10 pays «contractants» (France, Allemagne, Italie, Grèce, Royaume Uni, République Tchèque, Espagne, Portugal, Pologne, Russie) + 5 «collaborateurs potentiels» : Chine, Corée, Japon, Etats-Unis, Canada JNROP Cargese 18/10/2012 Page 42

43 European path to laser fusion energy HiPER sera à la fois : Une installation européenne pour la physique de la fusion une installation laser pour démontrer la faisabilité de la production d énergie de fusion avec un laser Donc HiPER sera une installation laser capable de fonctionner à la cadence nominale d environ 10 Hz à ± 5 Hz avec un rendement de 20 % couplé à un réacteur capable d entretenir la réaction de fusion et de récupérer l énergie pour la convertir en électricité Donc HiPER sera de la taille du LMJ en plus compliqué et en plus difficile JNROP Cargese 18/10/2012 Page 43-1-

44 LIFE : Laser Inertial Fusion-Fission Energy Présenté à la conférence de l American Nuclear Society, San Francisco, septembre 2008 Dans un marasme où les américains, après de gros efforts sur les machines à confinement magnétique (32 machines de tous les types ont été construites), n ont qu un rôle mineur sur ITER 20 personnes depuis 2 ans 13/11/2008, The Independent «Schwarzenegger, Schultz Hear Plans for Future Energy Source» JNROP Cargese 18/10/2012 Page 44

45 Is NIF a precursor to the laser in a Laser Driven Inertial Fusion Energy plant? DPSSL Driven IFE NIF Challenge Repetition frequency 5 Hz Electrical efficiency ~ 20% NIF ~ 1.8 MJ at 0.35 µm Could be reconfigured to µm Repetition frequency 10-4 Hz Electrical efficiency ~ 0.5% JNROP Cargese 18/10/2012 Page 45

46 Développements lasers JNROP Cargese 18/10/2012 Page 46

47 Diodes are significantly more energy efficient than flashlamps >75% electrical-optical efficiency JNROP Cargese 18/10/2012 Page 47

48 Continuous wave diode bar performance has increased by 35x since 1988 Diode bar prices are dropping with growing market cm Bar CW Power vs Year 1 cm Bar CW Power vs Year 1 cm 60% Learning Curve cm Bar 60% Learning Curve 10 CW Power [W] 100 Price ($ / W) Year Cum ulative Num ber of Bars JNROP Cargese 18/10/2012 Page 48

49 HiPER: 4 options investigated IOQ, Germany STFC, UK CNRS, France CEA, France CaF 2 YAG Glass Gas cooled plates Active mirror fiber coolant pump coolant JNROP Cargese 18/10/2012 Page 49

50 Even more flexibility might be possible ~10 ~millions beams G.A. Mourou, C. Labaune, D. Hulin, A. Galvanauskas : New amplifying laser concept for Inertial Fusion Driver, Journal of Physics: Conference Series 112 (2008) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 50

51 High power CW fibre lasers Single-mode cw power, W SDL Michigan SPI Jena IPG IPG SPI Year JNROP Cargese 18/10/2012 Page 51

52 Le cycle et les aspects économiques JNROP Cargese 18/10/2012 Page 52

53 Les constituants du réacteur une chambre pour transformer α et neutrons en chaleur des lasers qui amènent l énergie sur la cible un convertisseur turbine - alternateur des cibles pour libérer α et neutrons JNROP Cargese 18/10/2012 Page 53

54 Boucle et rendement Valeurs extrêmes toutes technologies confondues réseau servitudes lasers JNROP Cargese 18/10/2012 Page 54

55 Un réacteur FCM «tokamak» classique JNROP Cargese 18/10/2012 Page 55

56 La chambre et sa couverture JNROP Cargese 18/10/2012 Page 56

57 La chambre et sa couverture Elle absorbe les particules (α et neutrons) et les photons (x et γ) Un fluide caloporteur véhicule cette énergie vers l extérieur Elle génère le tritium nécessaire aux cibles : n(e > 2,5 MeV) + Li 7 => He 4 + T + n (lent) n(e < 2,5 MeV) + Li 6 => He 4 + T + 4,8 MeV Réaction exothermique d où un rendement de la couverture de 1,1 à 1,2 Idéalement du Lithium pur ( 7,5 % Li 6 et 92,5 % Li 7 ) suffit, en pratique des composés métalliques ou non avec: Li, Al, Pb, Bi, Be, F,O, H, N, C, SiO 4, AlO 2 JNROP Cargese 18/10/2012 Page 57

58 Combustibles & cendres de la fusion D-T D + T 4 He + n 6 Li + n 4 He + T D + 6 Li 2 4 He Combustibles fusion D-T Cendres fusion D-T deutérium / lithium hélium JNROP Cargese 18/10/2012 Page 58

59 Schéma d un réacteur de fusion D-T Fourniture du deutérium Génération du tritium et de l hélium Refroidissement par lithium JNROP Cargese 18/10/2012 Page 59

60 Réacteur à fusion inertielle Faisceaux d ions, photons, Cibles injectées Zone d irradiation des cibles Flibe (Li 2 BeF 4 ), même viscosité que l eau à 650 C vapeur à haute pression pour les turbines de la centrale JNROP Cargese 18/10/2012 Page 60

61 Références JNROP Cargese 18/10/2012 Page 61

62 Références L énergie de fusion inertielle Rapport CEA-R-6094 (2005) Exposé de Jean-Marc Ané (Association Euratom-CEA sur la fusion) 2006 Energy from inertial fusion IAEA Vienne (1995), Elements of power plant design for inertial fusion energy, IAEA Vienne (2005) : Pathway to Energy from Inertial Fusion CRP F13011 (Coordinated Research Project) JNROP Cargese 18/10/2012 Page 62