La Z-machine

Jean-Pierre petit, ancien directeur de recherche au Cnrs

Spécialiste de physique des plasmas et de MHD

Tout commence en avril 2006 avec la parution d'une courte mention dans le site de futura-science. L'oeil du lecteur est immédiatement attiré par une photo aussi spectaculaire qu'incompréhensible :

Photo de la décharge électrique courant à la surface du bassin d'eau dans lequel se trouvent immérgés les éléments de la Z-machine de Sandia

Ce qui est intéressant ce sont les informations qui accompagnent cette nouvelle brève, qui mentionne la parution dans la revue Physical Review d'un article de mon collègue Malcom Haines que j'ai bien connu, un Anglais devenu directeur du laboratoire de physique des plasmas de Cambridge, qui titre " plus de deux milliards de degrés atteints avec cette machine". Je me procure aussitôt ce texte et je l'épluche. En fait la température maximale atteinte est de 3,7 milliards de degrés. Pour information on a 20 millions de degrés au coeur du soleil, 100 dans un tokamak, 500 millions de degrés dans la boule de feu d'une bombe à hydrogène. A Sandia, Nouveau Mexique, cette machine dont le public découvre le nom, la température maximale atteinte est ... 7 fois plus élevée. Je publie dans mon site une analyse détaillée du papier de Haines (http://www.jp-petit.org/science/Z-machine/papier_Haines/papier_Haines.htm ). Qu'est-ce d'abord que cette Z-machine ? C'est un appareil qui entre dans la catégorie de ce qu'on appelle les " Z-pinch" ( colloque international sur le sujet à Vilnus, Lithuanie, en octobre 2008 ). La Z-machine n'est qu'un des nombreux montages possibles. Schmétiquement, considérons un cylindre conducteur de l'électricité, en cuivre ou en aluminium. On fait circuler le long des génératrices de ce cylindre un fort courant. Le voisinage de chaque génératrice peut être assimilé à un conducteur électrique, qui crée un champ magnétique, lequel réagira sur toutes les autres parties du cylindre à travers des forces de Laplace J x B. Ces forces sont dirigées perpendiculairement à l'axe du cylindre et tendent à faire imploser celui-ci. D'où le mont " pinch ", en anglais " pincer ". Tout cela est connu de longue date. Hélas des instabilités MHD se mêlent de la partie. Le courant refuse de circuler bien tranquillement selon ces génératrices, de manière axisymmétrique et se met à se dandiner. Les forces de Laplace sont ... n'importe comment. Si vous voulez vous faire une idée de ce qu'il advient d'un cylindre de cuivre ou d'aluminium ( qu'on appelle un " liner " ) quand il est parcouru par ce fort courant, prenez un cylindre de papier de, disons, 3 cm de diamètre, et essayer de l'écraser. Il y a peu de chance que vous réussissiez à tasser cet objet dans un volume qui ait la forme et le diamètre d'une ... mine de crayon.

Les expériences de compression de " liners " ont conduit à cela. En 1976 j'ai visité rendu visite à Sandia ( Nouveau Mexique ) à Gerold Yonas qui fut le premier à construire ce qui devait plus tard devenir cette Z-machine. Imaginez un camembert de 30 mètres de diamètre, avec tout un système premettant délivrer 17 millions d'ampères en un dixième de millionième de seconde.

La Z-machine, 1976 - 2007

En 2005 on ne devine pas encore la percée qui va se produire. On place au centre de ces cylindres de métal du polystyrène. Dès 1996 la température obtenue, en fin de compression selon l'axe était de 2 millions de degrés. En 2003 cette température atteint dix millions de degrés. La machine se comporte alors comme un puissant émetteur de rayons X ( 300 térawatts ), flux qui pouvait alors être utilisé pour tester la résistance de têtes nucléaires en phase de rentrée vis à vis d'armes antimissiles. Ces dernières sont simplement des bombes A que l'ont fait exploser dans le vide spatial à proximité des ogives en phase de rentrée, 70 % de l'énergie étant émise sous forme de rayons X. Ceux-ci endommage alors l'électronique de contrôle et de mise à feu des ogives. Au début des années deux mille, à Sandia, on décide de remplacer le cylindre métallique par un " liner à fils " :

Liner à fils d'acier inoxydable

Des montages avec une seul couronne de 240 fils, ou deux couronnes concentriques sont testés. Dans chacun de ces fils : 70.000 ampères, le total représentant 17 millions d'ampères. Au départ l'idée reste de comprimer une cible centrale en la portant à haute température. Mais les gens de Sandia ( équipe de Chris Deeney ) testent cette sorte de cage en laissant ces fils converger vers l'axe à une vitesse de 400 km/s, sans cible centrale. Et là, c'est la surprise complète. Les fils se volatisent, mais moins vite que prévu. En fin d'implosion on constate la formation d'un plasma métallique hyperdense d'un millimètre et demi de diamètre. Deux températuresn, celle des ions métalliques et celle des électrons sont l'objet de mesures fiables. La première est obtenue par spectroscopie : mesure d'élargissement des raies spectrales par effet Doppler. Deeney, incrédule, fait refaire n fois l'expérience avant de confier à Malcom Haines, théoricien, le soin de présenter et d'analyser ces résultats. Les chiffres déduits des mesures défient l'imagination. Le température maximale des ions est de 3,7 millards de degrés. Haines titre " plus de deux milliards ". L'article fait état d'aspects qui montrent que ces expériences sont une porte ouverte vers un domaine de recherche entièrement neuf, à une époque où la physique fondamentale est en chûte libre dans toutes les universités. Il s'agit d'un nouveau type de plasma " en état hors d'équilibre inverse ". Un plasma hors d'équilibre est un plasma où les températures ionique et électroniques sont différentes. Ne cherchez pas très loin : c'est le cas de votre bête " tube au néon ". Le gaz d'ions reste froid, sinon vous ne pourriez pas poser votre main sur le tube. Par contre le " gaz d'électrons " est à des dizaines de milliers de degrés. Un tel plasma émet de l'ultraviolet qui excite le revêtement fluorescent du tube, lequel réémet dans le visible. Dans les plasmas de fusion, ceux des bombes et des tokamaks les deux températures ionique et électroniques sont égales. Pourquoi ? Parce que ces deux composants gazeux, le gaz d'ions et le gaz d'électrons sont étroitement couplés par collisions, dans ce milieu dense.

Dans le plasma des Z-machines le rapport des températures est inversé. La température ionique vaut cent fois celle des électrons. L'explication est relativement simple. Les forces de Laplace font se précipiter les tiges d'acier inox d'un micron de diamètre les unes sur les autres à 400 km/s, vers l'axe de symétrie du montage, où elles constituent un filament unique d'un millimètre et demi de diamètre (celui d'une mine de crayon). Ions et électrons se voient ainsi communiquer de l'énergie cinétique. Mais, à vitesse égale, l'énergie cinétique des électrons, beaucoup plus légers que les atomes de fer est aussi beaucoup plus faible. Cette énergie cinétique sera convertie en énergie thermique par le jeu des collisions. On appelle ce phénomène la thermalisation. Le résultat final, pour une seule espèce, correspondrait à la formule :

Si ce mélange gaz d'électrons, gaz d'ions pouvait perdurer, les deux température deviendraient égales. Mais, pendant la dizaine de nanosecondes de durée de vie du cordon de plasma de la Z-machine, la température ionique reste cent fois supérieure à la température électronique. Nous ignoront tout de ce genre de milieu, totalement nouveau qui habite, comme tous les plasmas bitempératures qui se respectent un espace à sept dimension, un espace des phases ( ici position - vitesse - temps ). Théoriciens pas à l'aise dans ces espaces à sept dimensions s'abstenir.

Les militaires français possèdent une mini Z-machine, à Gramat, dans le Lot., conçue comme la machine de Sandia en tant que générateur de rayons X, pour tester la résistance d'ogives nucléaires à des armes antimissiles.

La Z machine française : 4 millions d'ampères délivrés en 800 nanosecondes

Elle est trop peu puissante et surtout trop lente pour conduire à des résultats comparables à ceux obtenus à Sandia, USA. Les ingénieurs militaires qui la servent n'ont pas perçu la complexité des phénomènes à l'oeuvre dans les plasmas hyperdenses obtenus avec la Z-machine ( américaine ). Ils sont à la recherche de " codes de calcul" ... qui n'existent pas. Pour des théoriciens c'est un domaine vierge, celui de la physique à l'ouest du Pecos. L'analyse des phénomènes constatés représente un véritable défi. regardez ces courbes :

En bleu, le diamètre du cordon de plasma, qui passe par un minimum à t = 110 nanosecondes. Alors que ce cordon de plasma se détend, sa température continue de croître ( courbe noire ). On mesure la puissance émise par ce cordon, sous forme de rayonnement X. L'énergie émise, mesurée est alors 3 à 4 fois supérieure à l'énergie cinétique correspondant à l'implosion des atomes de fer, les uns sur les autres, sous l'effet des forces de Laplace. D'où vient cette énergie ? Haines émet l'hypothèse que celle-ci serait empruntées au champ magnétique ambiant et transférée au plasma par des instabilités MHD de nature inconnue, à découvrir. Un domaine fondamentalement différent de celui des plasmas thermonucléaires.

Avant même que cette percée ait été faite, les Américains avaient décidé de doubler la capacité de leur Z machine, devenue ZR ( Z reburbished, ou Z modifiée ), opérationnelle depuis le printemps 2008. Le temps de décharge est toujours de 100 nanosecondes, mais l'intensité est montée à 28 millions d'ampères au mieu de 18. Selon la théorie (voir mon analyse du papier de Haines ) la température atteinte en fin de compression devrait varier comme le carré de l'intensité électrique. Celle atteinte en 2005-2006 n'est nullement une limite maximale absolue. Sachez que les USA développe le projet d'une nouvelle Z-machine, de cent mètres de diamètre, capable de développer 68 millions d'ampères.

Nouveau projet US : 68 millions d'ampères en 95 nanosecondes

Les Russes sont loin d'être hors course dans cette affaire, mais souffrent du manque d'argent. Ils ont toujours été des physiciens des plasmas hors de pair, depuis qu'Andréi Sakharov ait ouvert la voie dans les années cinquante. Ce sont des maîtres dans tous les domaines. Sur le plan théorique, sur le plan de fantastiques astuces technologiques et au plan des idée, des montages.

La France, dans tout cela ?

Les réactions ont été jusqu'à présent quasi-nulles, pour différentes raisons. Bien évidemment ceci évoque une voie outsider pour la fusion, non seulement celle du mélange deutérium-tritium, qui recquiert 100 millions de degrés et a été obtenue pendant une seconde dans la machine anglaise JET de Culham, mais celle, autrement plus intéressante du Bore¹¹ et de l'hydrogène ( ordinaire ) H¹. Faites le compte : 11 + 1 = 12, soit trois hélium He⁴  et ... pas de neutrons, ou très peu, à travers des réactions dites " secondaires ". Une fusion aneutronique évoquée à la page 34 de mon album Energétiquement vôtre, de la collection des Aventures d'Anselme Lanturlu, maintenant téléchargeable gratuitement à :

http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm

Aucune réaction dans les journaux de vulgarisation scientifique, aux ordres vis à vis des lobbies de la technoscience. Avec Mégajoule on nous promet la fusion par lasers, en faisant converger une puissance phénoménale dans un four cylindrique, ouvert aux deux bouts, tapissé d'or. Les journaux titrent " une étoile dans une éprouvette ". La réalité est différente. Les militaires ont besoin d'un banc d'essai pour tester le comportement de matériaux à très faute température. Il est impossible, comme on a essayé de nous le faire croire, de gérer ces problèmes uniquement à coup de simulations numériques. Mégajoule est un projet militaire camouflé en projet civil. Avant son décès le prix Nobel Gilles Degennes avait émis un avis très négatif concernant " l'expérience ITER ". Car il ne s'agit en aucune façon d'un réacteur se situant à un stade pré-industriel. Degennes exprima son scepticisme quant à la tenue des composants de l'aimant supraconducteur face à un intense bombardement de neutrons. Il existe d'autres arguments négatifs. Le plasma thermonucléaire d'ITER est collisionnel. A cet effet la distribution des vitesses en son sein tendra instantanément vers une loi de Maxwell-Boltzmann, correspondant à une " courbe en cloche ". Autour de noyaux cheminant à une vitesse moyenne de mille kilomètres par seconde, confinés par la barrière magnétique on trouvera des noyaux plus lents, mais aussi des plus rapides. Ceux-ci, franchissant cette barrière, iront détacher des parois des atomes lourds, qui s'ioniseront aussitôt. Les électrons, en interagissant avec les noyaux, émettent du rayonnement ( rayonnement dit " de freinage "). Celui-ci tend à refroidir le plasma thermonucléaire. Or, si Z est le nombre de charge électriques portées par les ions lourds, l'interaction entre les électrons et ces ions se traduira par une perte radiative en Z². Cette pollution en continu du plasma de fusion est inéluctable. Or rien n'a été prévu pour y palier. On a lancé un projet aussi collossal sans avoir évalué tous ces problèmes. On ne sait pas, présentement, depolluer un plasma thermonucléaire. Or, outre les risques de détérioration de l'aimant par le bombardement neutronique, ce phénomène de pollution risque de refroidir le gaz d'électrons, donc le gaz d'ions qui lui est étroitement couplé par collision. Alors la chaudière de cette machine à vapeur du troisième millénaire pourrait s'étouffer. Mais quelle importance ! Le JET a fonctionné une seconde. Il n'était pas conçu pour fonctionner plus longtemps car son aimant n'était pas supraconducteur et, au delà, celui-ci aurait dégagé trop de chaleur par effet Joule. ITER fontionnera peut être dix secondes, quinze. Mais les problème de sa tenue en fonctionnement de longue durée n'auront pas été résolus pour autant, ni même abordés. Certains murmurent que cette cathédrale pour ingénieurs est un " plan social ". On notera que les Américains viennent de se retirer de ce projet. La France payera, c'est dans le contrat.

Il existe aussi une autre explication à cette absence de réaction, à la fois dans les médias scientifiques et dans les cénacles science. Beaucoup de gens ne comprennent par qu'il s'agit d'une porte soudain ouverte vers une nouvelle physique, celle des ultra-hautes températures. Il a fallu plus d'une demi-siècle de longues et coûteuses études pour atteindre enfin, dans la machine anglaise JET la température fatidique de 100 millions de degrés, permettant à des réactions de fusion ( deuxtérium-tritium ) de s'amorcer, enfin ! Et voilà qu'avec une machine de 50 misérables millions d'euros, des condensateurs, et 20 mètres de fil d'inox d'un micron de diamètre on atteint soudain une température 37 fois supérieure ! Le message ne passe pas, à tous les niveaux. Les critiques fusent, souvent aveux d'incompréhension et d'incompétence. Mais les faits sont là et bien là, avec une température près de quatre fois supérieure à celle qui ouvre la voie de la fusion aneutronique, non polluante, sans radioactivité, sans déchêts. Ouvrir un champ de recherche dans cette direction est une évidence, étant donné la modicité du coût : le deux centième d'ITER.

Les retombées à caractère militaire

Elles sont évidentes. Les bombes thermonucléaires ont des températures d'ignition de 500 petits millions de degré. La Z-machine est un compresseur MHD, de très petite dimension : gros comme le poing. Ce qui tient du volume, ce qui pèse, c'est l'installation qui produit la décharge électrique. Pourrait-on la ... miniaturiser ? En fait il est possible de produire ces très fortes intensités d'une manière totalement différente : à l'aide de générateurs magnéto-cumulatifs. Dès 1954 Andréi Sakharov produisait 100 millions d'ampères avec un dispositif de la taille d'un caddy pour clubs de golf. Source d'énergie ? Un explosif. Dans ce domaine, les Russes sont des maîtres absolus. Dans mon site Internet :

http://www.jp-petit.org/science/Z-machine/machines_MHD/machines_MHD_bases.htm

Une astuce extraordinaire, due à Chernychev a permis de descendre les temps de décharge aux valeurs requises pour alimenter le compresseur MHD composé d'un " liner à fils ". Tous les composants sont donc " sur la table " pour donner un jour naissance à des armes " à fusion pure ", sans que celles-ci ne nécessitent un passage obligé par l'uranium 235 ou le Plutonium 239, si difficiles, si complexes à extraire et à produire. Je me suis battu une année entière, les lecteursde mon site s'en souviennent, pour essayer de sensibiliser " les pouvoirs publics " à cette technologie, sous l'angle de la production d'électricité. Là encore, comme la MHD est devenue lettre morte dans notre pays, après 30 années d'abandon les gens ont du mal à imaginer comment on puisse transformer l'énergie d'une mini-explosion en électricité. C'est pourtant simple : par conversion directe. Il suffit que le plasma exo-énergétique entre en expansion dans un champ magnétique. On exploite alors le courant induit, avec un rendement de 70 %. Au delà, ce qui se dessine c'est un " deux-temps à fusion " que j'avais décrit dans un article paru dans Science et Vie en 1975, avec un système de condensateurs se chargeant et se déchargeant extrêmement rapidement, jouant le rôle de volant ( voir les progrès réalisés par les Russes avec leur système LTD ). Bien sûr il reste des problèmes à traiter, à résoudre. Tout ne se ferait pas en un jour Mais une voie séduisante se dessine, d'où coût finalement modeste au regard des projets pharaoniques que nous finançons déjà.

Les bombes à fusion pure seraient " extrêmement intéressantes ". En effet ce seraient les " mini-nukes " dont les militaires rêvent, sans limitation vers les faibles puissances. Avec la nanotechnologie on pourrait loger dans une balle de revolver une puissance destructrice capable de volatiliser un wagon de chemin de fer. Vous en doutez ? Ne trouvez-vous pas que la technologie militaire a fait de sacrés progrès depuis quelque temps, ne serait-ce qu'en ne voyant que la partie émergée de l'iceberg.

Sur ce plan, le militaires français ont réagi à leur manière. Incapable de développer eux-mêmes cette technoscience ils ont fait passer le message :

- Rien ne se développera sans l'aval du ministère de la défense.

J'avais obtenu une lettre de Smirnov, directeur du département de la fusion à l'Institut Kutchatov des Hautes températures de Moscou. Une lettre qui plaisait en faveur de ces recherches mais .. sans destinataire ! Hélas on ne peut pas publie une telle missive dans un blog internet. Elle est donc restée " lettre morte ", c'est le cas de le dire.

Nous en sommes là. Je ne crois guère à une solution purement franco-française dans un pays où le maître-mot " MHD " a disparu de notre paysage scientifique et technique. La solution, à mon avis, se résume en une seule phrase : " l'argent des Européens et le savoir-faire des Russes ", en visant des applications civile, la production d'énergie par MHD, pas les bombes. Sinon la cloche du secret défense tombera sur ces projets en les étouffant du même coup. Bien sûr, ces technologies sont potentiellement " proliférantes ". Mais tout aussi potentiellement cette technologie pourrait résoudre les problèmes des besoins énergétiques de l'humanité toute entière, voire même ses besoins en matières premières et ses problèmes de pollution, si des températures de mille milliards de degrés pouvaient être atteintes. Rien ne s'y oppose fondamentalement.

Les Américains ont commencé à éjecter les étrangers de ces recherches. Mathias Bavay avait fait sa thèse à Gramat, à l'aide d'un montage assez astucieux. Dans mon site :

http://www.jp-petit.org/science/Z-machine/machines_MHD/these_bavay.htm

A l'issue de celle-ci, qu'il soutint en 2002, il demanda à son entourage d'ingénieurs militaires s'il pourrait continuer ces recherches.

- Oui, si vous trouvez un financement.

Il partit alors rejoindre Yonas, à Sandia. Mais deux ans plus tard celui-ci lui déclara :

- Hmmm.... mon petit Mathias, je suis ennuyé. Je crois qu'il vaudrait mieux que vous quittiez le labo car, du fait des aspects défenses, vous ne pourrez plus approcher " le saint des saints ".

Bavay est en Suisse. Il simule des avalanches .. de neige.

Nous entrons à l'âge de la fusion pure. Il y a peut-être beaucoup d'autres choses derrière tout cela. Des découvertes collatérales pourraient totalement bouleverser la géopolitique à l'échelle planétaire. Imaginez que la prééminence du pétrole disparaîsse. Quel fantastique bouleversement dans le jeu des influences ! Imaginez qu'au-délà la maîtrise des transmutations nucléaires permettent de rendre obsolete le concept de matières premières et de déchets. Imaginez qu'on puisse convertir tout ce qui est devenu radioactif en hélium. Imaginez que tout cela devienne possible avant que nous ne plongions tête baisse dans une apocalypse nucléaire. Imaginez que cette montée en température soit comparable à ... l'invention du feu. Réfléchissez. Avant que l'homme n'ait pu se rendre maître du feu, qu'est-ce qu'il lui restait ? La biochimie ? Ca n'est pas en tenant du charbon de bois et de l'oxyde de fer bien serrés contre son ventre qu'on peut donner naissance à la métallurgie. Question vitesse, on en resterait à la pirogue, l'engin terrestre le plus rapide. Le feu a été le point de départ de la chimie et de la métallurgie, de tout ce qui touche à l'énergie. Le feu, c'est le catalyseur de notre développement technologique. Sinon c'est la pierre taillée, les lianes, les harpons, les filets.

En escaladant les milliards de degrés nous entrons dans le véritable monde de la nucléosynthèse. Avec mille milliards de degrés, température régnant au coeur d'une supernovae nous pourrions faire notre marché dans la teble de Mendeleiev, au gré de nos besoins. Nous transmuterions tous nos déchêts en hélium. Pour faire le boulot : des robots capables de se réparer eux-mêmes, de se reproduire.

Que nous resterait-t-il à faire, grands dieux, dans un tel Eldorado ?

Les voyages interstellaires.

En fait, un mammifère bipède, l'homme, a soudain développé une technologie bien au delà de ce que ses compagnons avaient pu réaliser. Comme il lui falllait pouvoir s'interroger sur les conséquences de ses actes il se retrouva doté de ce que nous appelons une " conscience morale ", un attribut comportemental destiné à le prémunir de quelque fâcheuse dérive hypertélique ( dépassement de finalité ), de s'auto-détruire bêtement, pour parler plus simplement. La phénoménologie dui Vivant peut se résumer à une simple phrase : " étendre son champ relationnel, pour gérer une masse croissante d'information ". Ce faisant, le vivant se complexifie. L'évolution " Terre " a atteint son point de saturation. Avec un simple téléphone portable nous pouvons discuter avec un type qui est aux antipodes, et nous pourrons bientôt le voir sur un écran. La Terre, donc " on en a fait le tour ". C'est donc le temps de voyages plus lointains, grâce à des technologies à naître, qui découlent d'une révision en cours de notre conception de la géométrie du Cosmos .Eh oui, je suis " finaliste ", je l'avoue, même si le mot " Dieu " ne me semble pas avoir de véritable sens.

Vous voulez que je vous dise ? La vie, c'était un coup monté.