Conçue pour contrôler des matériaux soumis à des conditions extrêmes de température et de pression, elle est principalement utilisée dans le but de rassembler les données nécessaires à la simulation informatique des armes nucléaires. Elle a également permis, grâce à des expérimentations récentes, d’ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l’énergie de fusion.
Principe de fonctionnement :
Le dispositif expérimental est constitué d’une cage cylindrique (ou hohlraum) contenant en son centre une cible cylindrique, en périphérie plusieurs centaines de fils plus fins qu’un cheveu (à l’origine en tungstène), l’intérieur pouvant en outre contenir une « mousse » spécialement adaptée à cet usage.
De nombreuses variantes de la configuration et de la composition des fils ont été expérimentées, dans le but d’améliorer les résultats obtenus. Le processus comporte plusieurs phases successives qui s’enchaînent en quelques nanosecondes. De façon simplifiée, on peut le décrire ainsi :
- Un courant électrique extrêmement intense (20 millions d’ampères) est envoyé à travers les fils, ce qui provoque la vaporisation progressive de chacun d’eux, donnant ainsi naissance à une coquille de plasma s’appuyant sur la partie résiduelle des fils ;
- Le courant électrique, qui continue à augmenter, passe dès lors dans la coquille conductrice ; le champ magnétique associé la soumet à des forces de Laplace qui entraînent par pincement sa contraction violente ;
- Lors de la constriction du plasma, les ions et les électrons sont projetés vers l’axe de la cavité, jusqu’à un « point d’arrêt » qu’ils ne peuvent pas dépasser ; leur énergie cinétique est alors transformée en énergie électromagnétique (rayonnement de freinage des électrons), sous la forme d’un « flash » de rayons X ; ce dernier, par un phénomène d’onde de choc, comprime violemment la cible.
L’impulsion électrique est produite par un ensemble de 36 générateurs de Marx qui puisent leur énergie dans des cuves remplies d’eau jouant le rôle de condensateurs.
Historique des expériences :
* Les premières expériences avec la Z machine ont été menées en 1996 ; elles ont produit un rayonnement X d’une puissance supérieure à 200 térawatts (200x1012 watts).
- L’utilisation de deux réseaux concentriques de fils au lieu d’un seul a porté en 1997 la puissance rayonnée à 290 térawatts, correspondant à une température de 1,8 million de degrés.
- La première expérience réussie de fusion de deutérium dans la Z machine a été annoncée en avril 2003 ; la température atteinte était de l’ordre de 11,6 millions de degrés, le diamètre de la capsule de combustible ayant été réduit de 2 mm à 0,16 mm (160 micromètres) en 7 nanosecondes (7x10–9 s).
- Le 8 mars 2006, Sandia annonce dans un communiqué officiel avoir obtenu accidentellement un plasma d’une température supérieure à 2 milliards de degrés au sein de la Z-Machine. Le responsable de projet Chris Deeney a ajouté avoir reproduit plusieurs fois l’expérience afin d’en valider le résultat.
- Le 2 novembre 2006, Sandia annonce dans un communiqué officiel les avancées réalisées sur les capsules de diamant qui permettront à terme de contenir le carburant nucléaire.
- Le 24 avril 2007, Sandia annonce que la Z machine dopée de générateurs LTD peut fonctionner avec des impulsions ultra-brèves, ce qui la rapproche un peu plus d’un générateur à fusion à haut rendement.
Nouvelles perspectives :
Dans des expériences récentes (2004-2005) dont les résultats ont été rendus publics par Sandia en mars 2006, l’augmentation du diamètre du réseau de fils et le remplacement des fils de tungstène par des fils d’acier ont permis de mesurer dans les plasmas produits des températures ioniques de 2 à 3 milliards de degrés.
Aucun dispositif de conception humaine n’avait permis jusqu’à présent d’atteindre, de façon avérée, de telles températures, bien plus élevées que celles du cœur des étoiles de taille moyenne (de l’ordre de 107 à 108 degrés). Elles sont très largement supérieures aux températures requises pour la fusion des atomes d’hydrogène, deutérium ou tritium, et permettraient, en théorie sinon en pratique, la fusion d’atomes d’hydrogène avec des atomes plus lourds comme le lithium ou le bore ; ces deux réactions présentent l’avantage d’être réellement propres, dans la mesure où elles ne produisent ni neutrons ni déchets radioactifs, ce qui n’est pas le cas des réactions basées sur le deutérium et le tritium.
Pour la première fois, la puissance rayonnée a dépassé (d’un facteur 3 à 4) l’estimation de l’énergie cinétique développée lors de la compression du plasma. L’origine de ce surcroît d’énergie reste encore incertaine, car seules de rares tentatives d’explication ont été publiées. La première en date est celle de Malcolm Haines, professeur et chercheur en physique des plasmas à l’Imperial College de Londres ; elle met en avant l’apparition possible, lors de la phase finale de la constriction, d’une myriade de micro-instabilités MHD dont l’énergie cinétique serait transférée aux ions, augmentant ainsi la température du plasma, puis aux électrons, qui la libéreraient en émettant des rayons X.
Évolutions :
La Z-R machine, ou Z-Refurbished machine, est la version plus performante de la Z machine. Son fonctionnement a débuté au premier trimestre 2007.
Autres sites développant des expériences similaires :
Des installations similaires à la Z-machine existent dans d’autres pays :
- en Chine, le générateur QIANGGUANG-I du NINT (Northwest Institute of Nuclear Technology), proche de Xi’an (Shaanxi) ;
- en France, le générateur SPHINX (anciennement générateur ECF du projet SYRINX[7]) du Centre d’essais de Gramat (Lot) ;
- en Grande-Bretagne, le générateur MAGPIE de l’Imperial College de Londres ;
- en Russie, le générateur GIT-12 de l’Institut d’électronique des courants forts à Tomsk.
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