Comprendre comment les lasers magnétisent rapidement les plasmas de fusion

Rachel Kremen

Le mécanisme qui peut amener un plasma en expansion rapide – l’état superchaud de la matière exploité dans les systèmes de fusion – à générer spontanément ses propres champs magnétiques a été identifié grâce à de nouvelles simulations. Cela améliore notre compréhension des plasmas naturels dans notre univers et fait progresser le développement de systèmes de fusion basés sur une approche appelée fusion inertielle par attaque directe.

Dans un système de fusion inertielle par attaque directe, des lasers puissants compriment une petite capsule remplie de combustible, la chauffant jusqu’à ce que des réactions de fusion se produisent. Des champs magnétiques inattendus peuvent modifier la manière dont la chaleur se déplace dans le plasma d’une manière que les outils de simulation existants peuvent manquer. Des simulations précises sont essentielles pour concevoir des systèmes de fusion qui se comporteront comme prévu et fourniront une énergie nette à long terme.

Dans des expériences en laboratoire, les chercheurs ont découvert que des lasers de haute puissance peuvent vaporiser une cible solide en un instant, la transformant en plasma qui se dilate rapidement. Des expériences ont détecté à plusieurs reprises des structures magnétiques très fortes émergeant de ce plasma en expansion, mais l’origine précise de ces champs fait depuis longtemps l’objet de débats. Cette nouvelle recherche, publiée dans Physical Review Letters, éclaire la formation de ces champs et pourrait modifier les simulations de plasma pour les expériences de fusion.

La science

À l’aide de simulations informatiques, l’équipe de recherche a suivi le comportement du plasma lorsqu’un laser de haute puissance a frappé une cible en aluminium. Lorsque l’intensité du laser dépassait un certain seuil, le plasma en expansion s’aimantait spontanément en un milliardième de seconde et générait des champs magnétiques aussi puissants que 40 tesla. C’est environ un million de fois plus fort que le champ magnétique terrestre. En dessous de ce seuil d’intensité, cependant, le plasma reste largement non magnétisé.

La cause réside dans deux processus concurrents. Lorsque le plasma chauffé par laser se dilate vers l’extérieur, il se refroidit plus rapidement dans la direction de l’expansion que dans les directions perpendiculaires, créant un déséquilibre de température. Ce déséquilibre agit comme le moteur d’un phénomène, connu sous le nom d’instabilité de Weibel, qui génère les champs magnétiques. Cependant, les collisions entre particules ramènent le plasma vers un état équilibré. À des intensités laser plus élevées, le déséquilibre de température est suffisamment important pour déclencher les champs magnétiques.

« La singularité de notre travail est que nous montrons que même si le faisceau laser est très uniforme, par le simple fait de l’expansion, le plasma peut encore générer des champs magnétiques », a affirmé Kirill Lezhnin, physicien de recherche associé au Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) et auteur principal de l’étude. « Ces champs pourraient modifier le comportement du système. »

Une fois les champs magnétiques apparus, ils modifient fondamentalement l’évolution du plasma : les champs piègent les électrons dans des orbites en rotation, supprimant finalement le flux de chaleur loin de la région où le laser frappe la cible. Les simulations ont démontré que les effets magnétiques sont suffisamment importants pour influencer le comportement global et la température du plasma.

Pour rendre la découverte immédiatement utile à d’autres chercheurs, l’équipe a dérivé un critère de seuil simple qui peut être utilisé pour prédire l’aimantation du plasma pour des paramètres laser et cible donnés.

« Le seuil s’avère être un peu plus faible que ce que j’aurais attendu », a déclaré Lezhnin. « Il se situe exactement autour de l’intensité typique des expériences de fusion inertielle courantes, ce qui rend ces effets de champ magnétique très pertinents pour cette recherche. »

Article : Expansion-Driven Self-Magnetization of High-Energy-Density Plasmas – Journal : Physical Review Letters – DOI : Lien vers l’étude

Source : PPPL