Z machine
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/31/The_Z_Machine_%288056998596%29.jpg/220px-The_Z_Machine_%288056998596%29.jpg)
LaZ machineest un générateur derayons Xpulsés, ultra-compact à cadence élevée, le plus puissant au monde dans lesannées 2010[1].Elle est installée dans les locaux deslaboratoires SandiaàAlbuquerqueauNouveau-Mexique(États-Unis). Conçue pour soumettre desmatériauxà des conditions extrêmes de température et de pression, elle est principalement utilisée dans le but de rassembler les données nécessaires à lasimulation informatiquedesarmes nucléaires.Elle ouvre de nouvelles perspectives dans l'étude de lafusion nucléairecar elle crée des températures de plusieurs milliards de degrés.
Principe de fonctionnement
[modifier|modifier le code]Le dispositif expérimental est constitué d'une cage cylindrique (ouhohlraum) contenant en son centre une cible cylindrique, en périphérie plusieurs centaines de fils plus fins qu'un cheveu (à l'origine entungstène), l'intérieur pouvant en outre contenir une « mousse » spécialement adaptée à cet usage. De nombreuses variantes de la configuration et de la composition des fils ont été expérimentées, dans le but d'améliorer les résultats obtenus.
Le processus comporte plusieurs phases successives qui s'enchaînent en quelquesnanosecondes.De façon simplifiée, on peut le décrire ainsi:
- uncourant électriqueextrêmement intense (vingt millions d'ampères) est envoyé à travers les fils, ce qui créé unchamp magnétique,qui interagit avec les fils voisins selon uneforce de Laplace:.Grâce à la géométrie de la cage cylindrique, les fils vont converger vers le centre du cylindre rassemblé selon l'axe du système. La vitesse de convergence atteint600km/s.Cela donne naissance à un cordon de plasma de diamètre de l'ordre d'un millimètre et demi;
- cetteconstrictiondu plasma projette les ions et les électrons vers l'axe de la cavité, jusqu'à un « point d'arrêt » qu'ils ne peuvent pas dépasser; leurénergie cinétiqueest alors transformée enénergie électromagnétique(rayonnement de freinagedes électrons), sous la forme d'un « flash » de rayons X;
- le flash X, par un phénomène d'onde de choc,comprime violemment la cible.
L'impulsion électrique est produite par un ensemble de trente-sixgénérateurs de Marxqui stockent leur énergie dans des cuves remplies d'eau jouant le rôle decondensateurs. Ces générateurs sont déclenchés par deséclateurspermettant une décharge électrique extrêmement puissante en une fraction de seconde.
Historique des expériences
[modifier|modifier le code]- Les premières expériences avec la Z machine ont été menées en1996;elles ont produit unrayonnement Xd'une puissance supérieure à 200térawatts(200 × 1012W).
- L’utilisation de deux réseaux concentriques de fils au lieu d'un seul a porté en1997la puissance rayonnée à 290 térawatts, correspondant à une température de 1,8 million de degrés.
- La première expérience réussie de fusion dedeutériumdans la Z machine a été annoncée en;la température atteinte était de l'ordre de 11,6 millions de degrés, le diamètre de la capsule de combustible ayant été réduit de 2 à 0,16mm(160micromètres) en 7 nanosecondes (7 × 10−9s).
- Le,Sandia annonce dans un communiqué officiel[2]avoir obtenu accidentellement un plasma d'une température supérieure à 2 milliards dekelvinsau sein de laZ machine.Le responsable de projet Chris Deeney a ajouté avoir reproduit plusieurs fois l'expérience afin d'en valider le résultat.
- Le,Sandia annonce dans un communiqué officiel[3]les avancées réalisées sur les capsules de diamant qui permettront à terme de contenir le carburant nucléaire.
- Le,Sandia annonce[4]que la Z machine dopée de générateursLTD(en)(Linear Transformer Driver) peut fonctionner avec des impulsions ultra-brèves, ce qui la rapproche un peu plus d'un générateur àfusionà haut rendement.
Deux milliards de kelvins
[modifier|modifier le code]Au début de l'année 2006, la machine Z produisait des plasmas avec des températures annoncées supérieures à 2 milliards de kelvins (2× 109K), atteignant un pic de3,7× 109K.Il a été réalisé en partie en remplaçant les fils de tungstène par des fils d'acier plus épais. Cette température, qui permet une efficacité de 10 à 15 % dans la conversion des rayons X, est beaucoup plus élevée que prévu (trois à quatre fois l'énergie cinétique des fils entrants sur l'axe).
Cette température a été établie par deux méthodes différentes. D'une part par larelation de Bennett(en)[5]qui donne une température de 3,44 milliards de kelvins et d'autre part, par la méthode d'élargissement de raies[5]qui donne 3,7 milliards de kelvins (320keV).
Nouvelles perspectives
[modifier|modifier le code]Dans des expériences réalisées en 2004 et 2005 rendues publiques parSandiaen,l'augmentation du diamètre du réseau de fils et le remplacement des fils detungstènepar des fils d'acieront permis de mesurer dans lesplasmasproduits destempératuresioniques de 2 à 3 milliards de degrés. Elles sont très largement supérieures aux températures requises pour la fusion des atomes d'hydrogène,deutériumoutritium,et permettraient, en théorie sinon en pratique, la fusion d'atomes d'hydrogène avec des atomes plus lourds comme lelithiumou lebore;ces deux réactions présentent l'avantage d'être réellement propres, dans la mesure où elles ne produisent nineutronsnidéchets radioactifs(fusion aneutronique), ce qui n'est pas le cas des réactions basées sur ledeutériumet letritium.
Pour la première fois, la puissance rayonnée a dépassé (d'un facteur 3 à 4) l'estimation de l'énergie cinétiquedéveloppée lors de la compression du plasma. L'origine de ce surcroît d'énergie reste encore incertaine, car seules de rares tentatives d'explication ont été publiées[6],[7].
La première en date est celle de Malcolm Haines[8],[9],professeur et chercheur enphysique des plasmasà l'Imperial CollegedeLondres;elle met en avant l'apparition possible, lors de la phase finale de la constriction, d'une myriade de micro-instabilitésmagnétohydrodynamiquesdont l'énergie cinétique serait transférée aux ions, augmentant ainsi la température du plasma, puis aux électrons, lesquels la libéreraient en émettant desrayons X.
De nouveaux dispositifs sont testés en vue de la rénovation de la Z-machine, comme le dispositifThorqui faciliterait l'atteinte de pressions permettant la fusion[10].
Évolutions
[modifier|modifier le code]LaZ-R machine,ouZ-Refurbished machine,est la version plus performante de la Z machine (vingt-six millions d'ampères). Son fonctionnement a débuté au premier trimestre 2007.
Autres sites développant des expériences similaires
[modifier|modifier le code]Des installations similaires à la Z machine existent dans d'autres pays:
- enChine,le générateurQIANGGUANG-IduNINT(Northwest Institute of Nuclear Technology), proche deXi'an(Shaanxi)[11];
- enFrance,le générateurSPHINX(anciennement générateur ECF du projetSYRINX[12]) du Centre d'essais deGramat(Lot)[13];
- enGrande-Bretagne,le générateurMAGPIE(en)de l'Imperial Collegede Londres[14];
- enRussie,le générateurGIT-12de l'Institut d'électronique des courants forts àTomsk[15].
Notes et références
[modifier|modifier le code]- (en)«Z, when it fires, is already the largest producer of X-rays on Earth»(Rapid-fire pulse brings Sandia Z method closer to goal of high-yield fusion reactor).
- (en)Sandia’s Z machine exceeds two billion degrees Kelvin.
- (en)Z machine melts diamond to puddle.
- (en)Rapid-fire pulse brings Sandia Z method closer to goal of high-yield fusion reactor - April 24, 2007.
- M. G.Haines,P. D.LePell,C. A.Coverdale,B.Jones,C.Deeneyet J. P.Apruzese,«Ion Viscous Heating in a Magnetohydrodynamically Unstable Pinch at Over 2 × 109Kelvin»,Physical Review Letters,vol.96,no7,,p.075003(DOI10.1103/PhysRevLett.96.075003,Bibcode2006PhRvL..96g5003H,lire en ligne[PDF])
- Undocument[PDF]avait rendu compte de ce phénomène en 2004, mais les températures n'avaient pas encore pu être mesurées de façon certaine.
- Une autre explication a été avancée par une équipe allemande danscet article[PDF].
- Résumé de la publication de Malcolm Haines(23 février 2006).
- Présentation et analyse en français de l'article de Malcolm Haines[PDF]parJean-Pierre Petit(25 mai 2006).
- (en)SandiaLabs,«Sandia National Laboratories: Thor's hammer...», surSandia Labs,(consulté le)
- La rareté des documents accessibles ne permet pas d'être certain qu'il soit comparable à la Z machine. Les documents[PDF]et[1]aideront à se faire une opinion.
- chapitre de la thèse de Mathias Bavay (8 juillet 2002) traitant du générateur ECF du projet SYRINX.
- Description du générateur SPHINX[PDF]dans une communication à laXeConférence Megagauss.
- Présentation du générateur MAGPIE.
- On trouvera des informations sur ce générateur auchapitreVde lathèse de Dominique Huet[PDF].