Fusion inertielle : comprendre les collisions pour dompter les ondes du plasma

Réussir la fusion nucléaire par confinement inertiel exige de comprendre le plus rigoureusement possible la dynamique des ondes et des particules au sein du plasma de fusion. Une équipe du CEA - DAM a démontré que la prise en compte des collisions entre particules – souvent simplifiée jusqu’ici – détermine de manière significative la propagation des ondes acoustiques [1]. Ces résultats affineront l’interprétation des expériences menées sur le Laser Mégajoule.

La fusion nucléaire par confinement inertiel consiste à recréer les conditions de pression et de température du cœur du Soleil en comprimant une cible à l’aide de lasers de haute puissance. La cible est composée d’une cavité en or contenant une capsule de combustible deutérium­tritium en son centre. Les faisceaux laser focalisés sur la cavité génèrent un plasma d’or qui réémet un rayonnement X, lequel comprime le combustible. Toutefois, l’interaction entre le laser et la cavité est régie par divers phénomènes ondulatoires. Les ondes acoustiques, notamment, peuvent engendrer des instabilités détournant l’énergie et compromettant donc la réussite de l’expérience. De plus, elles menacent les optiques de l’installation. Aussi, prédire leurs propriétés avec précision est donc crucial.

Ce qui se passe dans un plasma du Laser Mégajoule lorsqu’il est chauffé par laser est complexe. Le plasma est formé d’ions et d’électrons, et il absorbe le rayonnement laser. Mais dans les calculs, on ne peut pas suivre la trajectoire de chaque électron ou de chaque ion. Aussi, on utilise une approche statistique : on regarde comment les vitesses des particules se répartissent en moyenne. La grandeur obtenue est la fonction de distribution de vitesse, qui indique combien de particules ont telle ou telle vitesse. On calcule ensuite comment cette fonction de distribution évolue lorsqu’on éclaire le plasma avec un laser. Comprendre cette fonction de distribution est indispensable pour étudier les ondes acoustiques dans le plasma, puisqu’elle détermine la vitesse de ces ondes et leur amortissement au cours du temps.

Le chauffage laser, via les collisions électron-ion, déforme la fonction de distribution des électrons tandis que les collisions électron-électron la font revenir vers son état de base. Mais il existe un autre effet, non lié au chauffage du plasma par le laser : les forces de friction entre ions et électrons. Or, jusqu’à présent, les modélisations du plasma ne considéraient souvent que l’un ou l’autre, quand, dans un plasma, les deux effets jouent simultanément. C’est pourquoi notre modélisation prend en compte le chauffage laser et la friction.

Les résultats obtenus révèlent un comportement surprenant : les effets collisionnels évoqués précédemment modifient fortement la vitesse des ondes acoustiques et leur amortissement. Ces ondes acoustiques possèdent une vitesse assez faible et sont affectées essentiellement par les particules de même vitesse. Or, le chauffage laser réduit le nombre d’électrons de faible vitesse (figure 1), donc réduit le nombre d’électrons susceptibles de ralentir et d’amortir les ondes acoustiques. Autrement dit, en chauffant le plasma, on réduit l’amortissement des ondes acoustiques.

La composition du plasma joue aussi un rôle sur les ondes acoustiques. Dans le cas d’un plasma d’or, les noyaux d’or sont très lents, leur vitesse est bien plus faible que celle des ondes acoustiques. Ils amortissent donc peu ces dernières. Mais si on ajoute du bore, dont la vitesse thermique (représentative de l’agitation thermique des électrons dans le plasma) est proche de celle des ondes acoustiques, on observe dans nos simulations un amortissement beaucoup plus élevé par rapport au cas de l’or où seuls les électrons contribuent à l’amortissement de l’onde.

Cette maîtrise de l’amortissement des ondes est un levier direct pour limiter les instabilités, qui sont l’un des obstacles majeurs à une fusion efficace. Notre modèle analytique (courbes noires, figure 2), corroboré par des simulations sur les supercalculateurs du CEA ‑ DAM, s’avère efficace pour les plasmas avec un ou plusieurs types de noyaux. Il montre que l’ajout de bore, en amortissant les ondes acoustiques, réduirait les risques d’abîmer les installations du Laser Mégajoule.

La validation de ce modèle analytique a nécessité des simulations cinétiques particulièrement gourmandes en ressources informatiques. Ces calculs, qui suivent l’évolution de millions de particules dans l’espace des phases, ont mobilisé les architectures massivement parallèles du centre de calcul du CEA ‑ DAM. La très bonne adéquation entre nos équations théoriques et ces expériences numériques confirme la validité de notre approche. Elle garantit une description fiable des processus de dissipation énergétique, indispensable pour anticiper finement le comportement du plasma sous flux laser intense. Prochaine étape : prendre en compte les inhomogénéités locales et les points chauds de la tache du laser, afin de modéliser fidèlement la dynamique des ondes acoustiques du plasma, et être plus proches des configurations expérimentales du Laser Mégajoule.