Des nouvelles de la Z-machine

[kenaroh 1]

Lien vers l'article original : http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2007/rapid-fire-pulse.html

24 avril 2007

Des impulsions ultra-brèves rapprochent un peu plus la Z-machine d'un générateur à fusion à haut rendement

Un circuit révolutionnaire capable de tirer des milliers de coups sans faillir

En Sibérie et pas dans la Zone 51 : Le chercheur de Sandia Bill Fowler teste les circuits d'un générateur LTD capable de produire de très fortes impulsions électriques de manière rapide et répétée. (Photo par Randy Montoya)

ALBUQUERQUE, N.M. — Un circuit électrique devant fournir suffisamment de puissance pour parvenir enfin à la fusion nucléaire contrôlée avec un rendement élevé et, chose tout aussi importante devant le faire toutes les 10 secondes, a été testé de manière intensive dans des expérimentations préliminaires et des simulations informatiques au sein des laboratoires Sandia hébergeant la Z-machine.

La Z-machine, lorsqu'elle est mise à feu, est aujourd'hui le plus gros producteur de rayons X sur terre, et elle a déjà pu générer des neutrons de fusion. Mais des tirs à répétition rapide sont nécessaires pour les futures centrales opérationnelles afin de pouvoir produire de l'énergie électrique à partir de l'eau de mer. Cela n'était pas jugé faisable jusqu'à maintenant.
Sandia est un laboratoire de la National Nuclear Security Administration.

Comment ça marche ?

Un moteur à explosion qui mettrait le feu à un seul cylindre et patienterait ensuite des heures avant de recommencer n'emmènerait pas la voiture bien loin.

De la même manière, une machine devant fournir à l'humanité de l'énergie électrique illimitée, à partir d'eau de mer abondante et bon marché, ne pourrait se contenter de tirer un seul coup puis de rester au repos le reste de la journée. Elle doit fournir l'énergie pour fusionner des granules d'hydrogène toutes les 10 secondes, et conserver cette cadence durant des millions de tirs entre chaque révision — une sorte de moteur à combustion interne pour la fusion nucléaire. C'est du moins la méthode de fusion préconisée dans la Z-machine aux Laboratoires Sandia et ailleurs, sous la dénomination "fusion par confinement inertiel".

Les scientifiques de Sandia Dillon McDaniel (second à partir de la gauche) et Steve Glover (à droite) examinent en Sibérie en compagnie d'Alexandar Kim (HCEI, Tomsk, Russia) un LTD de 500 kA avant son expédition vers Sandia (la personne sur la gauche est l'interprète de Sandia Roman Kahn). Ce LTD est en test à Sandia depuis 2 ans et demi.

Étant incapable de produire la fusion sauf de manière épisodique, cette méthode a été éclipsée par la technique appelée "fusion par confinement magnétique" — qui utilise un champ magnétique pour tenter d'enfermer des réactions continues de fusion, à partir desquelles ont doit tirer de l'énergie.

Or le circuit électrique émergeant à l'orée du bois technologique pourrait changer l'équilibre entre les deux systèmes. Considéré déjà comme "révolutionnaire" même par les chercheurs habituellement conservateurs, il pourrait bien combler le retard apparent de la première méthode sur la seconde.

Le générateur est capable d'effectuer un tir toutes les 10,2 secondes en brèves et puissantes bouffées d'électricité.
"C'est le progrès le plus significatif dans la recherche de production d'électricité depuis de nombreuses décennies" avoue Keith Matzen, directeur du Pulsed Power Center de Sandia.

Le nouveau système, appelé Linear Tranformer Driver (LTD), a été créé par les chercheurs de l'Institut des Hautes Intensités de Tomsk en Russie, en collaboration avec des chercheurs américains de Sandia.

Rick Stulen, vice-président à Sandia de la Fondation pour la Science, la Technologie et la Recherche, clame à ce propos que "cette nouvelle technologie ne représente pas seulement un remarquable progrès technique, elle est aussi la démonstration du fort engagement des scientifiques et des ingénieurs de Sandia au sein de la communauté internationale."

La voie d'accès royale vers la fusion nucléaire
Le circuit — un commutateur étroitement couplé à deux condensateurs — mesure approximativement la taille d'une boîte à chaussures et est surnommé une "brique". Quand plusieurs briques sont mises ensemble par groupes de 20 et électriquement connectées en parallèle dans un conteneur circulaire ressemblant à un gros bonbon LifeSaver, la cavité ainsi obtenue peut transmettre un demi-million d'ampères à 100 kilovolts.

Une telle cavité a été testée dans la Zone 4 de Sandia où elle a été mise à feu de manière répétée sans faille plus de 11 000 fois.

Boris Kovalchuk (HCEI, en costume gris) montre les plans d'un nouveau dispositif LTD au chercheur de Sandia Dillion McDaniel, devant Alexandar Kim (la personne a droite n'est pas identifiée)

Parce que ces cavités sont modulaires, elles peuvent être empilées comme des donuts sur une fourche en métal dénomée une "tige". Disposées selon une configuration adéquate, elles pourraient cracher 60 millions d'ampères et 6 millions de volts, assez (théoriquement) pour générer une fusion nucléaire à haut rendement avec tous les paramètres nécessaires pour concevoir une véritable centrale électrique.

“C'est une avancée révolutionnaire" dit Craig Olson, scientifique de haut niveau et patron du programme "Énergie de fusion inertielle par puissance pulsée" chez Sandia.
Le modèle de nouvelle génération, actuellement testé à Tomsk, transmets 1 million d'ampères à la même tension et avec la même rapidité. Cinq unités ont été construites ; quatre ont été acquises par Sandia, et une par l'Université du Michigan. Chacune coûte 160 000 $. Elles aussi, selon le scientifique de Sandia Mike Mazarakis qui a supervisé les tests sur le site sibérien, fonctionnent comme prévu sans imperfection.

“C'est un accomplissement incroyable" dit le vice-président de Sandia Gerry Yonas, une pointure de la Z-machine et de l'Advanced Concepts Group de Sandia.

Avantages de la nouvelle technologie

Heureusement pour les comptables de Sandia mais malheureusement pour les adeptes de la célèbre photo pleines d'arcs électriques et d'étincelles prise par le photographe attitré de la Z-machine Randy Montoya, le nouveau commutateur rend obsolète l'énorme bassin isolant rempli de centaines de milliers de litres d'eau et d'huile, actuellement partie intégrante de la structure de la Z-machine. C'était au-dessus de la surface du liquide que prenaient naissance les arcs électriques caractéristiques, phénomène autant apprécié pour ses qualités artistiques que détesté par les ingénieurs à cause de l'énergie gaspillée qu'il représente. Également périmé l'ensemble complexe de commutateurs de puissance, qui était nécessaire pour réduire en nanosecondes l'impulsion initiale de quelques microsecondes.

Le générateur LTD produit son impulsion directement dans la classe 100 nanosecondes. Cela fonctionne aussi bien grâce à sa conception qui abaisse drastiquement l'inductance, qui d'ordinaire ralentit la transmission de l'électricité.

Dillon McDaniel examine les isolants qui prennent place entre les couches de condensateurs des LTD de 250, 500, et 1000 kilo-ampères.

Il y parvient en partie par l'élimination des énormes plaques et des longs câbles de l'actuelle Z-machine, générant tous des champs magnétiques. Dans le nouveau système, chaque brique n'a quasiment aucun fil. Deux condensateurs de la taille de petites bouteilles thermos sont étroitement reliés à un commutateur grand comme un tupperware. Cela laisse peu d'occasion aux champs magnétiques ralentisseurs de se manifester.

De plus, le fait de joindre les briques en parallèle dans une cavité additionne non seulement leurs courants, mais diminue d'autant les inductances à des niveaux encore sensiblement moindres que ce qui était possible auparavant.
Plusieurs de ces sous-ensembles connectés en parallèle sont alors reliés en série pour additionner cette fois leurs tensions.

Cela donne une machine extrêmement puissante capable d'effectuer une succession de tirs très rapidement, nécessitant juste une mince couche d'huile baignant les boucles et les lignes des commutateurs.

La technologie LTD est 50 % plus efficace que les dispositifs de mise à feu actuels de la Z-machine, en terme de rapport énergie exploitable sur énergie injectée. La Z-machine a pour le moment un rendement de 15 % sur sa charge (ce qui représente déjà une très bonne efficacité vis-à-vis des solutions concurrentes pour la fusion).
Il y a cependant un coût certain à cette effiicacité.
Les fonds alloués à la Z-machine ont été historiquement dédiés à des buts militaires, liés à la défense : ses expériences visent à la base à produire des données pour des simulations sur des supercaclulateurs qui aident à maintenir la force, l'efficacité et la sûreté de la force de dissuasion nucléaire des États-unis d'Amérique. Même sans sa capacité de tirs à répétition, une machine puissante à base de LTD simulerait encore mieux les conditions créées par les armes nucléaires, donc les données récoltées suite à ces explosions en laboratoire pourront être utilisées avec une plus grande certitude dans des simulations nucléaires sur ordinateur affinées. Les USA se sont abstenus de tester des ogives nucléaires en conditions réelles depuis 15 ans.

Mise à feu de manière répétée, la machine pourrait bien devenir la base de la première centrale électrique à fusion nucléaire opérationnelle, d'ici vingt ans. Les progrès dans cette voie nécessiteront éventuellement des crédits de la part de la branche "Énergie" du Ministère de l'Énergie.

Pour s'affirmer comme solution viable, ce nouveau concept coûterait 35 millions de dollars sur cinq à sept ans, pour construire un banc de test disposant de 100 cavités. Si le test est positif, les futures générations de Z-machines seraient conçues à base de générateurs LTD.

Jusqu'ici le déblocage des crédits est venu de deux initiatives du Congrès a travers les programmes de l'Administration de la Sûreté Nucléaire Nationale du Ministère de l'Énergie des USA, des fond issus de la recherche dirigée par les laboratoires internes à Sandia,et du programme de Fusion par confinement inertiel de Sandia.
"C'est comme construire un jouet en Meccano" dit Matzen. “Nous pensons avoir besoin de 60 millions d'ampères pour avoir un bon rendement de fusion. Mais bien que nos simulations montrent que cela est possible, nous ne le saurons vraiment qu'après l'avoir fabriqué."

Le dispositif a été conçu par le responsable de la recherche sur les hautes tensions pulsées à Tomsk, Alexandar Kim, et le commutateur a été développé par Boris Kovalchuk ; son accélération depuis la microseconde jusqu'à 100 nanosecondes a été confiée au gestionnaire de Sandia Dillon McDaniel, et encouragé par ses collègues Rick Spielman et Ken Struve ; le travail a été supervisé à Sandia et à Tomsk par le chercheur de Sandia Mike Mazarakis ; les tests à Sandia ont été effectués par Bill Fowler et Robin Sharpe ; le programme d'énergie de fusion Z-IFE à Sandia a été initié et est géré par Craig Olson.

Les récents résultats sur le développement des LTD seront présentés à l'International Pulsed Power Conference et au Symposium on Fusion Engineering de l'IEEE, qui se tiendront à Albuquerque en juin 2007.

Sandia a rempli une demande de brevet sur un accélérateur de forte puissance pulsée inventé par William Stygar, utilisant un système de LTD comme générateur primaire de courant pour remplacer les générateurs de Marx conventionnels.

Sandia est un laboratoire aux multiples programmes, géré par la Sandia Corporation, une entreprise de Lockheed Martin, pour le compte de l'Administration de la Sûreté Nucléaire Nationale du Ministère de l'Énergie des USA. Sandia a des responsabilités majeures en R&D dans la sécurité nationale, l'énergie et les technologies environnementales, et la compétitivité économique.

Contact Actualités et Médias à Sandia : Neal Singer, nsinger@sandia.gov, (505) 845-7078

[Kaptain 5 875]

Passionnant ! Merci.
Ah! Si on pouvait trouver une bonne "combine" pour l'énergie...

[jackbauer 2 413]

Euhhh oui, mais quel rapport avec l'astronomie ??

[Matthieusibon 0]

euh...l'energie des etoiles ? (cf. Mister Bethe...)

[MatP 3]

« Tirer des milliers de coups sans faillir » (sic) ça nous intéresse forcément tous, nan ?

Ok, je ---->[]

[Bob77 0]

Alors Matp, toujours étudiant à ce que je vois...