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1 L'approche de la fusion par les Z-pinches: historique et développements récents Jean Larour Laboratoire de Physique des Plasmas (LPP) CNRS-Ecole Polytechnique 91128 Palaiseau, France [email protected] http://www.lpp.fr Master National Conférence d’intérêt général Sciences de la Fusion 13/01/2011

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L'approche de la fusion par les Z-pinches: historique et développements récents

Jean LarourLaboratoire de Physique des Plasmas (LPP)

CNRS-Ecole Polytechnique 91128 Palaiseau, France

[email protected] http://www.lpp.fr

Master National Conférence d’intérêt général Sciences de la Fusion 13/01/2011

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Depuis les travaux russes de la fin des années 50, les strictions magnétiques (ou Z-pinch) ont constitué un thème d'étude très riche. Elles ont stimulé des travaux fondamentaux sur le chauffage du plasma par un champ magnétique pulsé et les instabilités ou le développement de codes de MHD, mais aussi la science et la technologie des puissance pulsées. Les Z-pinches se sont révélés ainsi comme des sources de rayonnement X extrêmement puissantes aux multiples applications.

Présentés dès le début comme une voie vers la fusion par confinement inertiel et un temps délaissés au profit des voies confinement magnétique et laser, les Z-pinches retrouvent un engouement avec notamment la récente remise à niveau de la machine Z aux laboratoires américains Sandia et l'apparition des nouveaux schémas prometteurs de chauffage de plasma dans les Z-pinches.

Après un rappel des fondements théoriques et de l'historique du domaine, on présentera la physique qui y étudiée, dans le contexte actuel des machines de classe internationale, aux USA, en Russie, en G.B. et en France ainsi que du milieu académique.

Résumé

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Z-P

Plasmas

Les plasmas de Z-pinch sont proches des plasmas de FCI

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Principes, ordres de grandeur

Soleil, étoiles

Dans des conditions de température et de pression élevées, les noyaux atomiques peuvent acquérir une énergie cinétique suffisante pour fusionner et former un noyau plus lourd. Dans le Soleil et les autres étoiles de faible masse, ce processus de fusion thermonucléaire (nommé nucléosynthèse) s'applique à la formation de noyaux d'hélium à partir de noyaux d'hydrogène (ou protons) : cette série de réactions thermonucléaires, appelée chaîne proton-proton I (pp I), constitue la source principale d'énergie de l'étoile et est à l'origine de sa production de lumière et de chaleur.

(1) En premier lieu, il se produit une collision entre les protons, porteurs d'une charge positive. Cela ne peut se faire qu'à des températures très élevées, car les protons ont une charge électrique positive responsable d'une force de répulsion mutuelle importante, qu'ils ne peuvent vaincre que grâce à des vitesses très élevées. L'un des protons perd sa charge en émettant une particule légère chargée positivement, un positron (antiparticule de l'électron) et un neutrino (électriquement neutre et de masse quasi nulle). La particule neutre qui reste est un neutron et la combinaison de ce neutron et de l'autre proton forme un noyau de deutérium (ou hydrogène lourd).

(2) Ensuite se produit une collision entre le noyau de deutérium et un autre proton. Le résultat d'une collision entre deux protons et un neutron est un noyau d'hélium-3, un isotope léger d'hélium. De l'énergie est encore dissipée sous la forme d'un photon de haute énergie.

(3) Quand une collision se produit entre deux noyaux d'hélium-3, il en résulte deux protons et un noyau d'hélium-4, constitué de deux protons liés à deux neutrons. L'énergie emportée par les photons et les particules émises à chaque étape de ce processus maintient le noyau du Soleil à une température de plusieurs millions de degrés, ce qui permet d'entretenir la nucléosynthèse jusqu'à épuisement des réserves d'hydrogène.

http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/pedagogie/physique/mpi/iter209/09Itergr03/page3.htm

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Principes, ordres de grandeur

DT

deutérium + deutérium → (hélium 3 + 0,82 MeV) + (neutron + 2,45 MeV) deutérium + deutérium → (tritium + 1,01 MeV) + (proton + 3,03 MeV) deutérium + tritium → (hélium 4 + 3,52 MeV) + (neutron + 14,06 MeV)deutérium + hélium 3 → (hélium 4 + 3,67 MeV) + (proton + 14,67 MeV)

17,6 MeV / He = 2,82 pJ / atome-He ≡ 424 GJ / g-He

Critère de Lawson

40 MK

100 MK

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Mécanisme de pincement magnétique Géométrie coaxiale

Mécanisme de base: striction

Conducteur de retour

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Dynamique du pincement

Z-pinch ���� striction magnétique axiale

Configuration initialeColonne cylindrique (gaz, métal, diélectrique)Générateur extérieurCourant selon l’axe z jzChamp propre BθθθθForce de Lorentz centripète j X B

tc < ∆∆∆∆2 4πσπσπσπσ /c2

ImplosionGénération d’une onde de chocAccélération vers l’axeÉnergie EM ➨ énergie cinétique j2/σσσσ nT -QrDéveloppement des instabilités

tc < γγγγ-1

Stagnation finaleÉnergie cinétique ➨ nT➨ Qr + j2/σσσσplasma dense et chaudR/r > 10 Qr corps noir λλλλhνννν < rAmplification de puissanceQr /UI > 10

tc / ττττ > 10

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Batterie de 135 bouteilles de Leyde, ajoutée à la machine électrostatique de Van Marum (env. 1kJ)

Les premières expériences (Europe XVIIIe)

Martinus van Marum1er directeur du van Teylers Museum (NL) (1750 - 1837)

Machine de Nairnconnectée à un banc de bouteilles de Leyde (env. 1kJ)

Réalisation d’un arc dans l’air, long de 70cmAnnées 1780-85

Fils explosés àdifférents points d’un circuit pour vérifier le passage du courant sans perte dans un circuit (Ampère)Proc. Royal Society, Londres 1777

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Rôle des soviétiques (années 30-50)

• Artsimovitch (1909-1973) jette les bases théoriques de la physique des plasmas

• Dès les années 30, le gouvernement mobilise des moyens pour exploiter l’énergie de fusion explicitée par les théoriciens (I.V. Kourtchatov 1903 – 1960)

• Les explosions d’armes atomiques (USA 1945, URSS 1949) ont montré l’énorme réserve d’énergie contenue dans la matière.

• Des travaux sont développés dans le secret car on pense aussi à l’énergie de fusion pour propulser des avions, des sous marins, des engins militaires, etc.

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Focalisation magnétique (Bennett USA 1933)

Ce travail introduit une notion fondamentale, la po ssibilité de stabiliser une colonne de plasma par un champ magné tique propre

« suffisamment élevé ».L’équilibre de Bennett est une notion toujours util isée.

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Grande-Bretagne (années 40-50)

• Une coopération s’établit entre les universités, avant qu’ouvrent deux centres spécialisés, Harwell et Aldermaston.

• Le premier programme officiel sur la fusion est établi à Harwell.

• L’essentiel des travaux porte sur des machines toriques où l’on augmente le courant de plus en plus, en recherchant l’effet de confinement du champ magnétique.

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Projet Harwell (G.-B. 1950-58)

ZETA : Zero Energy Toroidal Assembly

Après des tentatives sur de petits réacteurs, Cousins et Ware construisent un « petit pinch toroidal » en 1952.

Une machine plus puissante, ZETA, est développée en secret dans le contexte de la Guerre Froide.Elle fonctionnera de 1954 à1968, ayant atteint 1 MA en 1964.

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Kourtchatov (URSS 1956)

Dans le cadre d‘une visite officielle de Krouchtchev et Boulganine, l’Académicien Kourtchatov va rencontrer ses homologues anglais.

Affaire CrabbEspionnageOSS USA

Croiseur Ordzhonikidze à Portsmouth

Un événement considérable intervient le 26 juin 1956.

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I.V. Kurchatov (URSS 1956)

L’Académicien Kourchatov prononce àHarwell (GB) en avril 1956 une conférence restée célèbre :« On the Possibility of ProducingThermonuclear Reactions in a GasDischarge".

Il y parle des recherches sur la fusion thermonucléaire conduites par Artsimovitch, le contrôle de la réaction de fusion, la théorie du pinch, les décharges électriques et la production de neutrons.

Explicitement, il n’exclut pas que les décharges pulsées puissent résoudre la question.

Des coopérations s’engagent : GB–URSS et GB-USA.

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1956 Déjà l’eau de mer …

… et la presse s’empare le jour même du sujet dans des termes qu’on retrouvera plus tard, très peu différents : «Dans 20 ans…»«Pour 1 milliard d’années …»« Gratuité »« Plus de pollution »

Avec aussi un couplet patriotique

1956

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Les Etats-Unis étaient aussi dans la course. Les recherches s’accélèrent dans le monde et des résultats sont publiés

Projet Sherwood (Livermore, USA 1956)

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Projet Sherwood (Livermore, USA 1958)

Instabilités m=0

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Les schémas se multiplient

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Le(s) plasma focus

Mather Filippov

A. Bernard, Le Vide, 2002, vol. 57, no 306, pp. 836-872

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Dynamique du focus

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Emission de neutrons I3,3 << I4

I4

Théorie :Fusion thermonucléaire si Neutron yield ~ I4

Pas de réacteur àfusion par focus

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L’entrée en scène des lasers

Les 20 ans de délai annoncés en 1956 pour l’obtention de la fusion pas décharge électrique sont dépassés.On assiste progressivement à la séparation de deux familles de décharge, • les toroïdes et les tokamaks• les pinches linéaires.

Les Z-pinches présentent des instabilités aux forts courants qui créent des inhomogénéités incompatibles avec la réalisation de conditions de fusion.Cependant l’émission X intense justifie un intérêt militaire suffisant pour que les recherches continues mais elles sont c lassifiées. De fait la communauté pinch va disposer de moyens concen trés autour de machines puissantes.

En parallèle, le développement rapide des performances des lasers et des calculateurs dans les années 70 ouvre de nouveaux espoirs.

La communauté FCI laser croît rapidement.

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Programme Centurion-Halite (USA 1980-88)

Tr décroissante

Seuil d’allumage

Tr = 216 eV

50 MJ X

En 1988, estimation de puissance laser nécessaire pour l’attaque indirecte : 5 MJRevue ensuite à la baisse régulièrement

classifié

Explosion thermonucléaire souterraine

tunnel

capsules DT

rayonnement

Température de rayonnement minimale pour un allumag e :

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Programme Centurion-Halite (USA 1980-88)

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Déclassification Z-pinch D2 (USA 1987)

Yield I 10 ?

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Bilan 1950 -1990

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Transformation PBFA II en Z pinch Sandia, 1996

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Renaissance des Z-pinches (1997-2000)

"The Past, Present and Future of Z pinches" M.G. Haines, S.V. Lebedev, J.P. Chittenden, F.N. Beg, S.N. Bland, A.E. Dangor, Physics of Plasmas 7, 1672 (2000).

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Renaissance des Z-pinches (1997-2000)

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Renaissance des Z-pinches (1997-2000)

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Septembre 95

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

Mars 96

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Juin 96Avril 96

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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Août 96 Sept 96

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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Novembre 96 Mars 97

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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Avril 97 mai 97

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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Juillet 97

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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Novembre 97 Mars 98

juin 98

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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Novembre 98

Homogénéité du chauffage

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Février 99

Dépendance de la température de cavité avec la puissance X

?

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Août 99

Double hohlraum

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A 2 mm. plastic capsule shell sits atop a Lincoln penn y withan inset of an X-ray image from the hot, imploded caps ule. The smaller bright image of the X-ray core is consisten t witha 7X reduction in size through the implosion process.Photo by Diana Schroen © Sandia Labs

La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

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La décennie ZP aux Sandia Labs (USA 1996-2007)

Utilisation de la machine Z

Bilan de la puissance X

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Années 1999-2000 Une remise en question

� L’abandon du financement de la machine X1, attendue pour être la plus puissante source de rayons X, a bouleversé les programmes.

� Les responsables et les équipes ont étérenouvelés. Les nouveaux personnels ont accumuléles tirs patiemment et utilisé beaucoup de diagnostics en coopération avec LLL (Livermore).

�Beaucoup d’informations ont été tirées de ces tirs très instrumentés.

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Etat de Z après le doublement des sources d’énergie (ZR).On distingue les débouchés des lignes coaxiales dans la cuve centrale. Au premier plan, l’espace est libre pour accueillir un éclateur dans chaque ligne.

Une nouvelle décennie ? 2008 - 2018

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Besoins évalués par SNL (Olson, 2004)

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Projet de centrale à énergie de FCI par Z-pinch à 0,1 Hz

PoP : Proof of Principle

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Projet de centrale à énergie de FCI par Z-pinch à 0,1 Hz

PoP : Proof of Principle

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Recyclable Transmission Line (RTL)

Olson, C.L, Rochau, G., Slutz, S., et al, ‘‘Develop ment for path for Z-Pinch IFE,’’ Fusion Science and Technology, 47(3), 633–640 (2005).

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Recyclable Transmission Line (RTL)

Olson, C.L, Rochau, G., Slutz, S., et al, ‘‘Develop ment for path for Z-Pinch IFE,’’ Fusion Science and Technology, 47(3), 633–640 (2005).

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Recyclable Transmission Line (RTL)

Tests de résistance à la pression de la ligne conique recyclable(U. of Alabama)

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Itinéraire vers une centrale (Olson 2004)

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Planning et concurrence

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Que reste-t-il à démontrer ?

� Une loi d’échelle a été établie jusqu’à 20 MA :

Energie X ∝ I2

mais il faut démontrer la prolongation des lois d’échelle jusqu’à 26 MA

Energie X ∝ I2

Puissance X ∝ I3/2

ou bien ∝ I2

� Les neutrons et la puissance ont été obtenus, mais comment se comportera le Z-pinch à plus fort courant ?� La température radiative sera-t-elle maintenue avec une impulsion plus longue ?

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Centrale à énergie de fusion (IFE)

Une ébauche a été présentée par A. Kim (HCEI, Tomsk) au Workshop HPP de Tomsk en 2000. Pour la première fois, la technologie LTD est proposée pour alimenter la centrale.

La technologie est sûre. On peut réaliser une puissance de rayonnement X de 200 TW pour une énergie de 1,8 MJ.

Cependant, il faut tester la fiabilité de certains composants pour un fonctionnement à 0,1 Hz.

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Evolution du générateur

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Evolution du générateur

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Evolution de la durée d’impulsion

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Les travaux se poursuivent sur la filière LTD

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Les travaux se poursuivent sur la filière LTD

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Les questions en suspend

� La technologie HPP à long terme

� Une loi d’échelle à démontrer Px =kI2

� Une étape supplémentaire à franchir en courant (60 MA ?)

� Une impulsion plus longue

�Une machine supérieure à financer

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Physique connexe et applications

Astrophysique et physique spatiale

Hydrodynamique

Propriétés des Matériaux

Physique des Plasmas

Sources de rayonnement

Propriétés radiatives

OpacitéÉquation d’étatSpectroscopie des plasmasInstabilités des supernovaeRéaction thermonucléairesPlasma électron positron

Physique des chocs

Equation d’étatOpacitéDureté

Physique des Z-pinches et stabilitéInstabilité et turbulenceTransfert de chaleur

Sources spectrales continuesSources de raiesSources laser X

Physique atomiqueLaser XSpectroscopieTransfert radiatif

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Contribution du LPP

• Travaux au long terme en liaison avec Sandia Labs, Naval Research Lab., notamment sur les commutateurs à ouverture par érosion de plasma PEOS.• Relations personnelles avec des membres de l’équipe Z puis ZR.• Reconnaissance du niveau d’expertise par des propositions originales :

Doublement du courant dans une charge (4 => 8 MA) sans modifier le générateurDoublement du rayonnement X dans une implosion de

réseau de fils• Code 2,5 D et 3D• Collaboration avec le centre d’Expertise DGA de Gramat.

• Depuis 2007, consultance régulière aux Sandia Labs et expériences conjointes à Reno.

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Plan

� Définitions, ordres de grandeur

� Un peu d’histoire

� Schémas, expériences, théories

� Les grands Z-pinches, la saga Z

� Le projet de centrale à FCI

� Physique fondamentale, sujets connexes, applications

� Contribution de l’Ecole polytechnique

� Conclusions

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Conclusion 1/2

� Un principe physique avéré et la source la plus puissante de rayonnement X et de neutrons : 280 TW, 2MJ, 1022 n DD

� Une filiation de machines développée sur 50 ans dans des laboratoires militaires (SNL, LANL, NRL, Kurchatov, HCEI, CEA) et quelques universités (Imp. College, U. Cornell, U. Nevada Reno, X):

� une maturité technologique� une marge de progression � une fiabilité suffisante� un coût compétitif

Z-pinch

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Conclusion 2/2

� 10 ans d’expérience sur la machine Z� ZR, une nouvelle machine de démonstration disponible fin 2007 avec un objectif à 26 MA� Une ouverture à la recherche civile� Un modèle de charge remplaçable malgré les difficultés de connection à un générateur de ce calibre� De nouvelles technologies de haute puissance pulsée fiables et économiques

mais …

� La technologie HPP à long terme� Une loi d’échelle à démontrer Ex =kI2

� Une étape supplémentaire à franchir en courant (60 MA ?)� Une machine supérieure à financer

FCI par Z-pinch

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Animation du fonctionnement d’une centrale IFE

http://www.sandia.gov/videos2005/ZPOP1280.wmv

Z-pinch Proof-of-Principle SimulationCraig. L. Olson and IFE teamSandia National Laboratories

Présentation d’un carrousel de cibles recyclables passant dans la zone de tir à 0,1 Hz.