La viscosité présente un problème de plasma collant pour les expériences de fusion à haute densité d’énergie

Idéalement, cet assaut de lasers, en soumettant la capsule de combustible à une pression extrême, ferait imploser la capsule à des vitesses atteignant 360 kilomètres par seconde uniformément et les isotopes de deutérium et de tritium fusionneraient et s’enflammeraient en une combustion contrôlée.

Au lieu de cela, l’exécution de ce schéma soigneusement orchestré est entravée par plusieurs complications, notamment des instabilités et un mélange entre la capsule et les plasmas combustibles à très différentes températures et densités. Ces facteurs interfèrent avec la capacité du laser à atteindre la compression nécessaire à l’allumage.

Les scientifiques savent que la viscosité peut être d’une importance critique dans l’implosion. Avec le soutien d’une subvention de 590 000 $ de la National Nuclear Security Administration du ministère de l’Énergie, les chercheurs de l’Université de Rochester espèrent démontrer des moyens de mesurer – et ainsi mieux comprendre –comment la viscosité dissipe l’énergie dans ces plasmas.

Selon Jessica Changchercheur principal et professeur adjoint de génie mécanique, les résultats pourraient conduire à des améliorations dans la conception d’expériences visant à réaliser la fusion et à une meilleure compréhension de la dynamique de la matière dense chaude dans la formation et l’évolution des planètes, y compris la Terre.

Des expériences seront menées à l’installation Omega de Rochester et au SLAC National Accelerator Laboratory de l’Université de Stanford. LLE, qui abrite l’installation Omega, est le plus grand programme universitaire du Département américain de l’énergie dans le pays et une destination internationale pour la formation de scientifiques à travailler avec de puissants systèmes laser.

LLE s’est étroitement associé au développement de techniques d’implosion par laser avec le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Des chercheurs du National Ignition Facility du LLNL ont récemment annoncé qu’ils étaient les premiers à réaliser l’allumage, produisant en fait plus d’énergie de fusion que l’énergie fournie à la cible pour initier la réaction.

Les chercheurs testeront le forçage des particules, le choc ondulé

La viscosité est une propriété causée par des frottements internes qui limitent la capacité de certains fluides – pensez au sirop d’érable, par exemple – à s’écouler facilement. La viscosité du sirop d’érable ou d’autres fluides peut être facilement mesurée dans des conditions ambiantes en manipulant directement le matériau dans des expériences de paillasse.

« Mais quand nous avons des matériaux sur lesquels nous tournons sur Omega, nous ne pouvons pas faire cela », dit Shang.

« Et c’est là que réside le défi. Nous devons trouver des moyens de mesurer implicitement cette propriété par l’observation.

Shang et son équipe feront la démonstration de deux techniques qui, espèrent-ils, pourront servir d’« outils incontournables » à d’autres scientifiques intéressés par l’étude du rôle de la viscosité dans les plasmas à haute densité d’énergie.

Le premier outil, le forçage des particules, consiste à placer des particules dans les cibles utilisées dans les expériences à haute densité d’énergie, puis à observer leur accélération dans le temps.

« Un peu comme si je lançais une balle dans les airs, il y aura une combinaison de forces agissant sur les particules, dont certaines ont un effet visqueux », explique Shang. L’équipe prévoit de produire un modèle d’accélération en rassemblant une myriade d’images de radiographie aux rayons X du mouvement des particules lors d’expériences à haute densité d’énergie.

L’autre approche, le choc ondulé, consiste à mesurer le profil d’un choc ondulé au fil du temps dans des expériences à haute densité d’énergie. La vitesse à laquelle l’ondulation s’aplatit peut être mesurée avec VISAR, une technique d’interférométrie, et peut être associée à des modèles de la façon dont la viscosité module un choc ondulé.

« Nous faisons ces expériences avec des plastiques, qui sont utilisés pour les cibles de fusion, et aussi avec de la silice, qui compose des planètes rocheuses comme la Terre et d’autres dans notre système solaire », explique Shang.

Former une nouvelle génération de scientifiques sur de puissants systèmes laser

Les co-chercheurs principaux du projet sont Hussein Aluie, professeur agrégé de génie mécanique; Riccardo Betti, scientifique en chef du LLE ; Danae Polsin et Ryan Rygg, également scientifiques au LLE ; et Arianna Gleason, scientifique du SLAC National Accelerator Laboratory.

Deux doctorants co-encadrés par Shang et le professeur agrégé de génie mécanique Hussein Aluie dirigeront les expériences de choc ondulé et de suivi des particules. Nitish Acharya prendra la tête du choc ondulé, et Afreen Syeda jouera ce rôle avec le suivi des particules.

Acharya est assistant de recherche diplômé depuis août 2018. Auparavant, il a obtenu un BE en génie mécanique de Université Tribhuvan au Népal, puis a travaillé avec E&T Groups dans ce pays en tant qu’ingénieur mécanique avant de venir à Rochester.

Syeda est arrivée à Rochester à l’automne 2019 après avoir obtenu un baccalauréat en génie aéronautique de Université technologique Jawaharlal Nehru (JNTU) Hyderabad et une maîtrise en ingénierie aérospatiale de l’Indian Institute of Technology (IIT) Kanpur.

« Il y a quatre ou cinq ans, une grande partie du travail qu’ils effectuaient était étayée par les co-IP », explique Shang. « Maintenant, ils ont atteint le point où nous faisons le transfert et laissons nos étudiants conduire le bus. »

Source: Université de Rochester