La Z - machine donne deux milliards de degrés

13 mai 2010, quatre ans plus tard :

ITER, le projet de fusion nucléaire, explose ses coûts

http://www.univers-nature.com/inf/inf_actualite1.cgi?id=4218

ITER, le réacteur basé à Cadarache dans le Sud de la France et qui promet la fusion nucléaire sur Terre pour une production d'énergie quasi illimitée (1), voit sa facture littéralement exploser avec une construction dont le coût devrait être au moins deux fois supérieur aux 4,57 milliards initialement avancés (2).

Si la Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l'Inde, le Japon et la fédération de Russie font partie du projet, l'Union Européenne est la principale contributrice économique. A ce titre, elle devrait voir sa part passer de 2,7 à 7,2 milliards sur les dix années dédiées à la construction. Pour la Commission européenne, deux possibilités sont envisageables pour y faire face : augmenter les contributions des Etats membres ou la quote-part dédiée au projet dans le budget de l'UE.

Sans même parler de l'actuelle défection des Etats-Unis dans le financement de ITER, cette inflation du coût est notamment à mettre au compte de la complexité du projet et d'une profonde évolution de sa conception actuelle (2001) pour se mettre en phase avec les possibilités technologiques d'aujourd'hui.

En outre, en dix ans, le coût des matières premières n'a cessé de croître, contribuant également à la hausse globale de la facture de ITER.

Pour mémoire, rappelons que ITER n'a pas vocation à produire de l'énergie, commercialement parlant, mais à démontrer la faisabilité de la fusion sur Terre en produisant, en l'espace de 6 minutes, quelque 500 millions de watts (MW) de chaleur à partir de 50 MW "d'énergie injectée".

Cette étape achevée, un premier réacteur nucléaire de fusion, DEMO, devrait voir le jour au Japon pour apporter la preuve de la faisabilité industrielle du concept à l'horizon 2050.

Dans le contexte de crise économique que l'on connaît, les gouvernements concernés remettront-ils la main au porte-monnaie ? Ce n'est pas acquis, et faute d'un financement à la hauteur de leurs espérances, les scientifiques pourraient être appelés à revoir l'ampleur du projet à la baisse.

Pascal Farcy

1- ITER, le Réacteur Thermonucléaire Expérimental International, a pour but de permettre à l'humanité de s'approcher du modèle de production d'énergie du soleil, durant la seconde moitié du XXIe siècle.
2- En 2007, le budget total se décomposait en 4,57 milliards d’euros pour la construction (10 ans), 4,8 milliards d’euros pour l’exploitation (20 ans) et 0,53 milliard d’euros pour le démantèlement (10 à 15 ans).

Lorsque je me suis rendu à un soit-disant "débat" qui se tenait à Pertuis le 16 mars derniers les anti-nucléaires étaient venue. Ils ont mis leurs masques blancs et ont crié des slogans, face au sourire des gens du CEA, menés par Patrick Legrand qui, dans une brochure écrit que "Le débat a pris ses marques".

Les gens ont été extrêmement surpris de découvrir le contenu de mon intervention. Legrand a fini par me dire, avec un grand sourire :

- Bon, voilà, calmez-vous. On va vous passer un micro. Vous allez pouvoir poser votre question et on vous répondra.

- Comment les gens de ce projet envisagent-ils de lutter contre le puissant refroidissement radiatif du au rayonnement de freinage consécutif à l'arrachement de noyaux lourds à la paroi?

Et là, soudain, il n'y avait plus personne. Legrand, mâchoire décrochée, faisait des gestes de dénégation. Même chose pour la responsable administrative du projet ou pour un spécialiste environnement venu nous expliquer que "dans ce projet de société" on aurait à coeur de protéger les fleurs et les scarabées.

Effectivement, c'est la question à cent euros, à ne poser sous aucun prétexte. Les atomes d'hydrogène les plus rapides arriveront toujours à franchir la barrière magnétique et, frappant la paroi, arracheront des atomes qui s'ioniseront aussitôt totalement. Or la perte par rayonnement de freinage ( Bremstrahulung ) liée à l'interaction avec les électrons libres varie comme le carré de la charge électrique. Le plasma se polluera, se refroidira. La chaudière ITER s'étouffera....

A Culham les Anglais ont obtenu une seconde de fusion. ITER en produira dix, peut être vingt, dans 20 à 40 ans. Personne n'a simplement prévu comment négocier ce problème d'extinction de la chaudière sauf en disant "qu'il y a un facteur d'échelle". Les pertes radiatives sont relativement plus faibles dans des machines de plus en plus grosses. Quand on aura obtenu x dizaines de secondes de fusion on dira "il faut construire un super-ITER, plus cher et cette fois, ça marchera".

On ne démarre pas un projet de cette envergure, d'un tel coût, quand on a pas, toutes prêtes, les solutions à des problèmes graves, inéluctables.

A moins qu'ITER ne soit qu'un jouet dispendieux ou un "projet de société" comme je l'ai entendu et lu à Pertuis.

ITER est surtout l'exemple du manque total d'imagination de nos scientifiques, l'équivalent dans la sphère expérimentale des supercordes dans le domaine théorique. La fusion avec la solution du Tokamak rame depuis un demi-siècle. On nous demande 30 à 40 années de patience supplémentaire, alors que d'ici là notre physique aura peut être tout simplement changé. Comme je l'ai dit en quittant la salle :

Tore-Supra, le tokamak français, mis en chantier il y a vingt cinq ans ( avec la même chanson du Blablatron : "le soleil en laboratoire" etc... ) n'a pas tenu ses promesses. Fusion : zéro. Montées en température très limitées. Mais "l'aimant supracopnducteur marche". La belle affaire ! 25 ans pour construire un aimant supraconducteur donnant 4 teslas : une technologie parfaitement au point dans toutes les chambres à bulles des accélérateurs de particules de toute la planète. Mais en France on est prompt à se féliciter pour des échecs.

Les personnes présentes ont retenu le dernier échange avec le spécialiste, celui qui avait dit "bonne question".

- Avons-nous, de nos jours les moyens de nous payer une telle "danseuses" ?
- Oh, ça a l'air de faire beaucoup d'argent, mais en pourcentage du PNB, c'est beaucoup moins .....

Avant de quitter la salle j'ai expliqué mon point de vue. Ca n'est pas non à la fusion, mais non à une fusion qui est à la "vraie fusion", ce que la machine à vapeur est au moteur à explosion. La comparaison est pertinente. Dans ITER on cherche à fonctionner en continu, à trop basse température, avec une réaction polluante, qui activera les strutures environnantes, fera s'accumuler de nouveaux déchets radio-actifs alors que l'avenir c'est :

une fusion propre : Bore 11, Hydrogène 1, en impulsionnel, avec un milliard de degrés.

Le lendemain, comme par un fait exprès, le laboratoire Sandia, Nouveau-Mexique, annonçait les résultats de sa Z - machine ( faites z machine dans Google ).

Contenu de l'article de Futura-science :

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

La Z-machine a produit des températures dépassant allègrement les deux milliards de degrés !
(Crédits : Randy Montoya)

D’ordinaire, la Z-Machine fonctionne de la manière suivante : 20 millions d’ampères passent à travers un réseau de fils de tungstène de la largeur d’un cheveu. Dans un noyau, de la taille d’une pelote de laine, les fils se dissolvent instantanément pour engendrer du plasma, qui est ensuite compressé à grande vitesse par un champ magnétique intense, jusqu’à occuper l’épaisseur d’une mine de crayon. Une fois compressés, les ions et les électrons n’ont nulle part où aller (« point de stagnation ») et, comme un bolide lancé à pleine vitesse contre un mur, ils s’arrêtent brusquement en dissipant une quantité considérable d’énergie sous forme de rayons X. Ainsi, la Z Machine avait été conçue pour générer des températures de plusieurs millions de degrés, proches de celles des éruptions solaires.

JPP : Le "point de stagnation" est une traduction incorrecte de "stagnation point" qui signifie "point d'arrêt". On désigne par point d'arrêt le point où un flux gazeux voit sa vitesse réduite à zéro. Prenez pas exemple le nez qu'une navette spatiale. Le stagnation point est le point du nez où la vitesse du gaz est nulle. Logiquement, dans ce montage, on devrait parler de "stagnation line" puisque le plasma converge vers l'axe du système. Si on décode ce texte il semble que ce plasma ait alors , en fin de compression, lorsque la vitesse s'annulle la forme et le volome d'une "mine de crayon".

Mais les scientifiques n’auraient jamais pensé qu’en remplaçant les fils de tungstène par des fils d’acier cylindriques plus larges, ils pourraient atteindre des températures dépassant le milliard de degrés : « Au début, nous ne voulions pas y croire. Nous avons répété maintes fois la manipulation, pour être bien sûrs qu’il ne s’agissait pas d’une erreur », explique le chef de projet Chris Deeney.

Mais alors, que s’est-il vraiment passé dans le laboratoire Sandia ? Dans un article, paru ce mois-ci dans le Physical Review Letters, Malcolm Haines, consultant pour le compte de Sandia, émet l’hypothèse que cette température surprenante est due à l’apparition de nombreuses instabilités au « point de stagnation », qui engendreraient la conversion d’une considérable quantité d’énergie magnétique en énergie thermique, et ce en l’espace de quelques nanosecondes.

JPP : Il faudra aller pêcher cet article pour essayer de voir ce qu'il en retourne exactement.

Des recherches sont actuellement en cours pour en apprendre plus sur ce phénomène. En tout cas, d’après Malcolm Haines, l’obtention de telles températures pourrait s'avérer très utile : cela faciliterait l'étude des éruptions solaires, et pourrait aussi permettre la construction de centrales nucléaires plus compactes et moins coûteuses.

A la tête de ce projet, Gérald Yonas, que j'ai rencontré en 76 à Sandia ( voir mon livre "Les Enfants du Diable" ). Regardez la bestiole. C'était il y a .. trente ans. Source : Pour la Science, janvier 1979, pages 52-53 ( vous y trouverez aussi le papier sur le retournement de la sphère que j'avais cosigné avec le mathématicien Bernard Morin ).

La manipe de Yonas, Sandia 1976. Faisceaux d'électrons sur une cible "de la taille d'un oeuf de pigeon"

Le vieux Gérald n'est donc pas un débutant en matière de forts courants électriques. Le principe de la " Z - machine " est assez simple. Yonas envoie vingt millions d'ampères au total dans un assemblage de fils ayant chacun le dixième du diamètre d'un cheveu. Ces fils sont agencés en formant une structure cylindrique :

L'agencement des fils métalliques dans lesquels le courant est envoyé.
Chacun se transforme en plasma et ce système donne finalement une sorte de rideau de plasma qui implose en direction de l'axe du système.

Ceci ressemble à la fragmentation d'une nappe cylindrique. Une fragmentation en toute une série de conducteurs, pour obtenir une distribution de courant plus homogène et éviter les instabilités.

Ce courant crée donc un champ magnétique qui donne naissance à des forces de Laplace J x B qui agissent sur le milieu, instantanément transformé en plasma. On appelait ces système des " pinch machines " en 1976. Pinch veut dire "pincer". Mais les pinch machines étaient basées sur une décharge dans une colonne gazeuse qui se transformait en plasma. L'implosion était alors instable. La nappe de fil de Yonas évoque un "tube creux" fragmenté en une grande quantité de "fils". Lorsque la décharge se produit tous ces fils se transforment en colonnes de plasma qui se mêlent et finissent pas se comporter comme ce qui adviendrait d'un tube creux dans lequel on ferait passe le courant. La différence est que cette "fragmentation" donne in fine une nappe de courant plus régulière. Quoi qu'il en soit le résultat est une implosion de cette nappe de plasma en direction de l'axe avec une "compression inertielle".

Au départ Yonas voulait utiliser ces systèmes comme sources de rayons X. Il semble clair ( j'essayerai d'analyser les papiers plus en détail dès que possible ) que le but de ces manips était avant tout militaire. On visait à obtenir une source de rayons X suffisamment puissante pour faire fusionner une cible ( disposée, j'imagine selon l'axe central ) , donc pour simuler le fonctionnement d'une bombe sans avoir à utiliser une bombe A comme source.

Il semble que Yonas ait interposé entre la cible ( située selon l'axe ) et le rideau de fils se transformant en plasma en état d'implosion, jouant le rôle de compresseur une "mousse" ( foam ). La stabilite de ce système de compression était a priori inévaluable. On sait que dans la fusion par laser c'est le problème clé. On ne sait pas comprimer en symétrie sphérique. C'est pour cela que Mégajoule, situé au Barp, près de Bordeaux, une autre espècde d'ITER est un autre projet à la fois cher et très casse-gueule. Un autre "jouet" pour militaires et polytechniciens.

Yonas comprime sur un axe. Et là, surprise, les montées en température sont spectaculaires, inattendues, mêmes. Ci-après les puissances émises par le système, en tant que source de rayons X.

En route vers la fusion ?
Les chercheurs de Sandia continuent d'accroître la puissance émise par leur machine sous forme de rayons X.
Un progrès subtanciel a été fait en utilisant un assemblage de fils disposés selon une surface cylindique.
Quand la décharge est déclenchée ce système se transforme en plasma en état d'implosion.
Ce système a permis d'obtenir un gain accru de la puissance en sortie ( jusqu'à 290 TW ) .

Voilà la machine en fonctionnement. Les images de petite taille reproduite ne permettent pas de se rendre compte de ce qui se passe.

Ce que vous voyez ce sont des arcs électriques, qui partent dans tous les sens. Yonas, c'est le Nicolas Tesla de notre époque.

Quelques notes rapides sur ce qui semble être le principe de fonctionnement de cette z - machine. Montrons d'abord le principe du "théta-pinch".

On fait passer un puissant courant parallèlement aux génératrices du cylindre ( gazeux ). Le champ magnétique créé s'accompagne de forces de Laplace qui tendent à tasser ce cylindre de plasma selon l'axe. Le système est instable. Si ça pince quelque part le densité de courant croît et les forces JxB aussi.

Prenez deux fils parcourus par des courants parallèles. Ils tedent à s'attirer. idem pour un système de "fils en cage". Dans la manip initiale Yonas a cherché à obtenir le collapse de ces fils, qui se muent en "rideau de plasma", selon l'axe du système. Quelques calcules d'épicier rapides avec une cage à cent fils et 20 millions d'ampères au total. Le champ initial serait de 2 teslas. Quand le fils se transforment en rideau de plasma on pourrait évaluer la densité de courant à 3 10 ¹² ampères par mètre carré. Il faudra que je demande confirmation à Yonas. C'est seulement grossier et indicatif. Le trouve 60 mégabars comme pression initiale, centripète, qui devraient propulser ce plasma à 5 km/s vers l'axe. Tel quel, ce plasma fait d'atomes de métal monte en température et j'imagine que c'est une solution imaginée par Yonas pour produire une dégelée de rayons X.

En évaluant grossièrement le volume du cylindre de plasma avant implosion et en concluant qu'il se tasse selon l'axe selon un objet du diamètre d'une mine de crayon ( 2 mm ) on obtient des facteurs de compression impressionnants. Rappelons que dans la fusion par laser on cherche à comprimer une cible d'hydrogène lourd, liquéfié et qu'on vise une diminution du rayon d'un facteur 10. Ca suffirait pour obtenir les conditions de Lawson dans la cible. Comprimer un liquide, ça entraîne une sacrée montée en température. Avec mes calculs d'épicier ( chickzalés, comme diraient des X ) je trouve un facteur de compression de l'odrre de 40. Donc si le matériau était un mélange de fusion ça pourrait coller.

Notons au passage que les préoccupations de Yonas ne sont pas civiles. Ce sont des recherches militaires. Imaginez qu'au lieu de faire passer le courant dans du tungstène ( haut point de fusion, pour garder l'état solide le plus longtemps possible et conserver la symétrie ) on utilise du Plutonoium. En le comprimant selon l'axe : boum.....

Mais, dans un second temps il opte, semble-t-il, pour une manip plus sophistiquée. Le tungstène, l'acier, ne sont pas mes mélanges de fusion. Yonas utilise donc un montage à trois composants, apparemment.

Ce sont des coupes. En 1 la cage faite de fils. Au centre, selon l'axe, une cible de mélange de fusion. Entre les deux une "foam", de composition non révélée. Quand la sauce est envoyée le cylindre de fils de métal ( qui se transforme en plasma ) crée une impulsion de compression. A mon avis ça devrait entraîner le départ d'une onde de choc cylindrique, centripète, cheminant dans cette "foam", cette "mousse", elle aussi transformée en aval en plasma par cette "blast wave". L'onde emporte une partie de l'énergie. Elle chemine dans un milieu où le champ magnétique est nul. D'où possible absence d'instabilités. Il y a beaucoup à réfléchir pour essayer de comprendre de quoi pourrait être composée cette fameuse "mousse".

Les températures atteintes sont telles que des processus radiatifs très importants accompagnent le process. Il faut jouer alors sur la longueur de réabsorbtion de ce rayonnement. Yonas dit qu'il a essayé en mettant de l'argon et que la montée en température ne s'effectueait pas. Probablement parce que l'argon s'échauffe trop. Dans cette manip de confinement intertiel il faut accroître la densité et la vitesse à l'impact, sur l'axe du système où se situe la cible, en retardant l'échauffement le plus possible, de manière à ce que cet échauffement ne se produisent qu'en compression maximale, sur la "stagnation line".

L'idée neuve est qu'un implosion en axisymétrique semble stable, ou en tout cas beaucoup plus stable qu'en sphérique. Dans la fusion par laser le problème est que les impacts des lasers doivent être parfaitement synchrones sur le "pusher", la couche qui entoure le cible d'hydrogène lourd liquiéfié. Ca équivaut à tirer 25 balles de revolver ( ou plus ) sur une bille en espérant que celles ci donneront toutes la même impulsion de pression.

Là, Yonas se débrouille pour avoir une impulsion de pression la plus axisymétrique possible grâce à son système de fils agencés comme une cage. Il a au départ utilisé le tungstène pour que ses fils "durent" le plus longtemps possible, imposant l'axisymétrie. Par la suite il est passé à de simples fils en inox. La régularité de l'onde de compression a permis une montée en température spectaculaire à 2 milliards de degrés !

Pour la fusion, le problème n'est pas la quantité d'énergie, c'est la focalisation. L'idée est diamétralement opposée vis à vis du thème central d'ITER où on recherche une fusion en continu, dans volume énorme, avec tous les méga-problèmes technologiques que ça pose. Je suis pour cette idée de fusion en impulsionnel avec focalisation de l'énergie par onde de choc. Et le dis même que les températures atteintes peuvent permettre de viser des fusions non polluantes, sans émission de neutrons, style Li - H ou B - H ( 500 millions de degrés ou un milliards de degrés ).

Si vous parles de telles températures à un type d'ITER il saute au plafond. La machine ne permet pas d'atteindre ça.

On a vu que ce processus de focalisation d'énergie par onde de choc permettait de fondre du bronze dans le l'eau froide ( phénomène de cavitation, découverte en 1905 ), puis de créer des plasmas à 10.000 ° par ultrasons ( sonoluminescence ).

Ce sont des filères outsiders, par rapport à ces filières hyper-lourdes comme le Tokamak ( ITER ) qui charrie des dizaines d'années de problèmes technologiques ( passées et ... à venir ) extrêmement coûteuses. Je suis de ceux qui pensent qu'il y a n manière d'arriver à la fusion, par des moyens relativement légers. Je n'exclus d'ailleurs pas que Yonas puisse arriver à des températures plus élevées encore que ses 2 milliards de degrés (...) puisque la performance finale ne repose pas sur la quantité d'énergie mais sur l'efficacité de la focalisation ( nature du foam, géométrie ).

A une époque où "la physique est en chûte libre" en France je vois là une montagne de sujets de thèse et d'expériences relativement bon marché, de simulations numériques passionnantes. Mais en France on a tout misé sur le Tokamak et il n'est pas question ... de changer de cheval au milieu du gué. Les gens ne seraient pas prêts à dire :

Qui pourrait dire une telle chose ? Ca explique l'entêtement sur ce type de machine et de filière fusion.

Dès le 7 avril 2003 la machine de Yonas avait produit ses premiers et authentiques neutrons de fusion. Mais tout récemment un autre seuil a été atteint.

Cela veut dire que la fusion Bore 11 - Hydrogène 1 devient faisable. Or c'est une fusion propre, sans radioactivité ( ! ...) qui n'émet pas de neutrons, qui ne rend pas radioactives les structures avoisinantes, qui émet seulement de bêtes noyaux d'hélium, électriquement chargés. Non seulement ceux ci peuvent être confinés magnétquement mais en comprimant ce champ magnétique ils transforment l'ensemble en générateur MHD. A terme on obtiendrait un "deux-temps à fusion" ( que j'avais déjà décrit dans mon article de Science et Vie de 1976 ). Ces deux milliards de degrés, aucun tokamak ne pourra jamais les atteindre.

La conclusion est qu'il faudrait mettre le projet ITER en stand by immédiatement.

Il semble qu'on dispose d'une autre filière, pouvant déboucher sur la "fusion propre". Il faudra analyser ces travaux dans le détail. A priori la Z - machine de Yonas pourrait permettre d'obtenir la fusion d'un mélange, avec production d'alpha, de noyaux d'hélium. Ceux-ci constitueraient un plasma en expansion. Si cette expansion était effectuée dans un champ magnétique, comme le système est en état de fort nombre de Reynolds magnétique ( lien étroit entre lignes de champ magnétique et milieu ionisé ), il en résulte un fort courant induit dans les solénoïdes. La machine se transforme alors en générateur MHD impulsionnel. Une partie de cette énergie pourrait permettre de recharger un condensateur, prêt pour la décharge suivante. D'où le concept d'un "deux-temps" à fusion.

Tout cela est à revoir dans le détail, mais cela semble a priori très intéressant. De toute façon, ce sont des recherches infiniment moins coûteuses et moins compliquées que cette véritable "usine à gaz" qu'est le projet ITER.