Différentes façons de simuler des réactions nucléaires

Le 27 janvier 1996, la France a effectué Xouthos, son 210e et dernier essai nucléaire, faisant exploser une ogive thermonucléaire sous le lagon de Fangataufa dans le sud de l’océan Pacifique. L’essai avait un rendement compris entre 20 et 120 kilotonnes de TNT, potentiellement 8 fois plus explosif que la bombe que les États-Unis ont larguée sur Hiroshima en 1945. Xouthos a marqué la fin des essais nucléaires de la France mais pas la fin du maintien de son stock nucléaire. Afin d’assurer le fonctionnement des ogives du pays, la France est travailler avec Le laboratoire national Lawrence Livermore aux États-Unis a mis au point une installation d’essai d’allumage laser surfondu.

Huit autres pays possèdent des armes nucléaires : les États-Unis, la Russie, la Grande-Bretagne, la France, la Chine, Israël, l’Inde et le Pakistan. Au 21e siècle, seule la Corée du Nord a effectué un essai direct d’armes nucléaires. Pour d’autres pays, l’entretien et la maintenance des ogives nucléaires sans essais en conditions réelles est un défi technique. Une façon de le gérer consiste à modélisation informatiquequi permet aux laboratoires nucléaires d’affiner la conception des ogives et d’étudier de nouveaux types d’améliorations des ogives.

Mais tester le matériau fissile d’une ogive réelle, le gaz autour d’une fosse de plutonium qui se condense jusqu’à ce qu’il déclenche une réaction de fission nucléaire, signifie examiner le matériau lui-même et voir comment il se comporte sous une densité élevée et une chaleur intense. Lawrence Livermore décrit le processus de test des matériaux nucléaires avec des lasers à basse température comme un « système cible cryogénique », qui est exécuté au National Ignition Facility. Ce système, en théorie, leur permettrait de comprendre comment le combustible nucléaire se comporte dans des conditions de densité d’énergie élevée, en créant une véritable énergie de fusion s’il est transitoire dans des conditions de laboratoire.

L’installation nationale d’allumage est entrée en service en 2010. La demande de budget de cette année-là de la National Nuclear Security Administration décrit le programme comme fournissant « une compréhension scientifique pour évaluer la sûreté, la sécurité et la fiabilité des armes nucléaires d’une nation sans essais nucléaires. » Pour atteindre cet objectif,[s]L’évaluation et la certification des armes basées sur la science nécessitent que ces outils expérimentaux de pointe aient la capacité de créer et d’étudier des matériaux dans des conditions extrêmes qui se rapprochent des environnements à haute densité d’énergie (HED) trouvés dans les explosions nucléaires.

Explosion thermonucléaire chaude, avec la première étape de réaction de fission atteignant plus 100 millions de kelvins. Ils sont également solides : le composant non nucléaire conventionnel d’une ogive thermonucléaire utilise la force de l’explosion pour condenser le plutonium en une forme plus compacte autour d’un gaz composé d’hydrogène lourd, de deutérium et de tritium.

Une autre façon d’atteindre cette densité consiste à refroidir de petites pastilles de deutérium-tritium à 18,5 Kelvin (ou -426 Fahrenheit). Le refroidissement est la partie « cryogénique » du « système cible cryogénique », et les pastilles sont la cible. Au lieu de faire exploser la boule de plutonium vers l’intérieur, comme dans une véritable ogive, dans ce test, l’énergie d’allumage est fournie par un faisceau laser de haute puissance.

Au National Ignition Facility, ce processus est effectué via 192 faisceaux laser, qui concentrent 1,92 mégajoules sur des pastilles de deutérium et de tritium hautement refroidies. L’énergie libérée par la fusion est similaire à celle d’une étoile, bien que sa durée de vie soit beaucoup plus courte. Homologue français de la National Ignition Facility, le Laser mégajoule« utilisera 176 faisceaux laser pour concentrer plus d’un mégajoule d’énergie laser ultraviolette sur une petite cible contenant un mélange partiellement gelé des isotopes de l’hydrogène deutérium et tritium. »

Alors que la recherche sur la fusion nucléaire est souvent promue et encadrée comme une voie vers des réacteurs à fusion viables pour la production d’énergie électrique, il s’agit essentiellement d’une évaluation des armes et des outils de recherche, avec un potentiel accessoire de recherche scientifique.

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« Le NIF est conçu pour produire des températures et des pressions extrêmement élevées – des dizaines de millions de degrés et des pressions des milliards de fois supérieures à l’atmosphère terrestre », explique-t-il. du laboratoire. « Cette condition n’existe actuellement que dans les noyaux des étoiles et des planètes et des armes nucléaires. »

Lorsque ces conditions existent en laboratoire, elles ne le sont que très brièvement. « Pendant un millionième de seconde pendant l’expérience ICF, [the National Ignition Facility]192 lasers doublent les mêmes températures, densités et pressions trouvées à l’intérieur des étoiles et des planètes et font exploser des explosifs nucléaires. rapport 2019 du laboratoire. C’est encore assez de temps pour que les chercheurs étudient l’effet de ces conditions sur les matériaux concernés, importants dans la gestion des stocks. « Environ 15 expériences par an sont consacrées à la recherche des équations d’état de la matière », ou à la modélisation mathématique de la façon dont les matériaux gèrent les conditions de réaction nucléaire.

Alors que l’installation nationale d’allumage est en service depuis près de 12 ans, le plus proche de la création d’une fusion génératrice d’énergie est avec un test le 8 août 2021. Le tir a entraîné 1,35 mégajoules d’allumage d’une pastille presque gelée, marquant près de 70 % de conversion. de l’énergie laser en réaction. .

« Pour le programme d’intendance des stocks », a déclaré le laboratoire de une déclaration à partir de février, « les images enregistrées donnent accès à un nouveau régime de plasma à haute densité d’énergie pour tester et vérifier le code de simulation lié aux armes nucléaires du Laboratoire. [National Ignition Facility] mener des études expérimentales sur l’allumage par fusion et la combustion thermonucléaire subséquente, qui fournissent la formidable énergie des armes nucléaires modernes.

Créer des conditions de fusion sans faire exploser directement une ogive nucléaire est toujours un travail en cours. En travaillant en étroite collaboration avec Alternative Energy et le Commissariat à l’énergie atomique, le laboratoire national s’assure que les deux pays puissent bénéficier de recherches parallèles et collaboratives. Par rapport à l’alternative à la poursuite des essais nucléaires directs, les difficiles problèmes de physique dans un environnement de laboratoire contrôlé sont un défi mineur, par rapport aux risques géopolitiques d’une poursuite de la course internationale aux armements.

Lancelot Bonnay

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