FR2690778A1 - Dispositif provoquant et utilisant la "micro-fusion" thermonucléaire. - Google Patents

Abstract

L'objet de la présente invention est de réaliser et d'utiliser la fusion thermonucléaire des atomes légers. Lors du choc des particules, fusibles, l'énergie d'impact est la somme de l'énergie d'agitation thermique et de l'énergie cinétique cohérente, l'utilisation des modes quadripolaires tournant permet d'organiser ce choc en diminuant la température, donc les pertes par rayonnement et en utilisant le plus possible l'énergie cinétique cohérente. D'autre part, ce mode possède un gradient de champ magnétique important qui freine le moment cinétique des noyaux en formation et assure leur solidité en réduisant rapidement leur énergie interne. Cette méthode facilite la fusion du deutérium.

Description

DISPOSITIF PROVOQUANT ET UTILISANT
LA " MICRO-FUSION " THERMONUCLEAIRE
La présente invention concerne des dispositifs laser capables de réaliser la fusion atomique tiède des atômes légers et en particulier la fusion du deutérium. Elle prévoit d'utiliser une partie de l'énergie produite pour régénérer la cible et la puissance de pompage des lasers.

Le terme " micro-fusion " exprime le fait que la quantité de matière fusible mise en jeu à chaque explosion est extrèmement faible; elle est en effet contenue au centre de la tache focale d'un mode quadripolaire. Mais les explosions se succèdent à cadence très rapide.

Pour produire la fusion, il faut que l'énergie d'impact, c'est-à-dire l'énergie cinétique des particules fusibles, au moment du choc, soit suffisante.

On dit qu'il y a fusion tiède lorsqu'une grande partie de l'énergie d'impact est fournie par de l'énergie cinétique cohérente. Celà permet de réduire l'agitation thermique et, du même coup, les pertes liées au rayonnement thermique.

Pour y parvenir, il est nécessaire d'atteindre la densité explosive:
- étant donné un noyau fusible dont l'énergie cinétique est nettement supérieure à l'énergie d'agitation thermique, on sait calculer,en fonction de la densité électronique N, du plasma:
d'une part, le libre parcours de ce noyau avant rencontre avec le noyau complémentaire, compte tenu de l'effet d'écran électrostatique dû aux électrons, - d'autre part, les pertes d'énergie subies par ce noyau du fait de son interaction avec le nuage électronique pendant le libre parcours.

- La densité explosive est la densité minimum pour laquelle le noyau complémentaire est atteint avec l'énergie d'impact nécessaire pour provoquer la fusion.

- Selon l'invention, on parvient à cette densité explosive en focalisant, au centre d'une petite sphère de plasma, l'énergie d'un ensemble de lasers au néodyme se propageant selon le mode quadripolaire tournant, la petite sphère de plasma étant elle-même obtenue en focalisant dans un gaz ou un plasma d'atômes légers usuellement utilisés pour la fusion, l'énergie d'un laser à dioxyde de carbone se propageant,elle aussi,selon le mode quadripolaire tournant.

Selon une caractéristique de l'invention, on met à profit le fait que le mode quadripolaire tournant présente un très fort gradiant de champ magnétique pour réaliser la fusion du deutérium, impossible par d'autres moyens.

L'action du mode quadripolaire tournant se décompose en deux: - d'une part, une forte répulsion du plasma à partir de l'anneau où le champ électriqueest maximum; cette force est due à la pression de radiation dont l'effet est multiplié par la surtension de la résonnance. Dans le plan équatorial, cette force fait converger les noyaux vers le centre.

- d'autre part, l'action d'un champ magnétique continu engendré par les trajectoires circulaires des électrons. Ce champ est maximum au centre et présente un fort gradient axial qui, en agissant sur les courants, provoque une contraction d'ensemble analogue à celle subie par un solénoïde parcouru par un courant.

La somme de ces deux actions appliquées aux électrons produit un gradient d'excès de charge qui, à l'intérieur d'une sphère dont le rayon est de l'ordre de > AQ , attire les noyaux proportionnellement à leur distance au centre.

Le phénomène peut être représenté par une cuvette de potentiel, dans laquelle, abstraction faite de l'agitation thermique les noyaux fusibles tombent avec une vitesse proportionnelle à la distance au centre; il s'agit d:ne contraction homothétique, les cellules d'espace contenant les noyaux ont leurs-volumes réduits en même temps, dans les mêmes proportions. A l'intérieur des cellules espace, l'agitation thermique croît de façon adia > tique, mais cette énergie d'agitation reste négligeable devant l'énergie cinétique cohérente correspondant à la chute des noyaux dans cette cuvette.

Si

est le potentiel de confinement au bord de la cuvette et si

est la valeur de l'énergie d'agitation thermique en ce même lieu, les noyaux tombent en décrivant des ellipses très allongées.

Le rapport entre le grand axe et le petit axe est égal à

Si le potentiel de confinement syt de 40 KS et l'agitation de l'ordre de îsV , ce rapport est de l'ordre de 64
Un calcul tenant compte de l'élévation de température par compression adiabatique ne modifie pas sensiblement ce résultat.

Le rayon de la cuvette de potentiel est de l'ordre de et le temps qu'un noyau met pour tomber du bord au fond, est égal au quart de la période f d'oscillation dans la cuvette:

ce qui donne un temps de l'ordre de la picoseconde et fixe la durée de l'impulsion pour les lasers au néodyme.

Pour qu'une impulsion si brève soit pleinement efficace, il faut que la densité du plasma ait ;3. valeur critique

où ss est le rayon classique de l'électron

et /\ la longueur d'onde des lasers au néodyme 10 R
Les noyaux qui; avant l'impulsion, étaient dans une sphère de rayon égal au grand axe des ellipses se retrouvent, un quart de période plus tard, dans une sphère de rayon égal au petit axe, ce qui correspond à une compression égale au cube du rapport des axes, soit (64) = 256.000 et fait passer la densité de

qui correspond à la densité explosive.
L' énergie moyenne des noyaux dans la zône de choc est

Le potentiel de confinement est proportionnel à la puissance laser;pour produire un potentiel de 40.000 Volts, il faut une puissance laser de quatre gigawatts divisée par la surtention du plasma résonnant qui est de l'ordre de quarante, ce qui donne une centaine de mégawatts pour la puissance des lasers au néodyme.

Tout celà suppose que la boule de plasma qui constitue la cible dans laquelle pénètre l'impulsion~des:lasers-au néodyme a un rayon suffisant pour contenir toute la zône focale, sans s'étendre trop au-delà, ce qui suppose que ce rayon est le double du rayon où le champ électrique est maximum, soit #/#2 = 0.7 m que la densité de cette boule ait la valeur critique et que sa température soit la plus basse possible, sans qu'il y ait recombinaison des ions.

En effet, si l'impulsion des lasers au néodyme devait ioniser le gaz, les premiers ions libérés pourraient fusionner et l'énergie dégagée disperserait le plasma.

C'est pour éviter cet effet de fusion prématurée que la cible doit être totalement ionisée et la contraction homothétique
La présente invention prévoit de réaliser la cible en focalisant,dans un gaz d'atômes fusibles, une onde laser se propageant selon le mode quadripolaire tournant, comme l'onde qui provoque la fusion, focalisée sur le même point, mais de longueur d'onde nettement plus longue.

Si, par exemple, des lasers au néodyme sont utilisés pour provoquer la fusion, un laser au dioxyde de carbone est utilisé pour préparer la cible et fournir ensuite le milieu où la fusion peut se propager.

Pour les lasers à dioxyde de carbone, la longueur d'onde est / et la densité critique /0 Y-3
La densité du gaz au repos dans l'enceinte doit donc être inférieure à IDy-3pour que les ondes puissent se propager même si le gaz est fortement ionisé, mais pas trop inférieure pour que l'action du laser soit efficace.

A titre de comparaison, la densité d'un gaz monoatomique dans les conditions normales est 2-7 x 1025 m-3
Le laser à dioxyde de carbone doit donc former une cible de densité 1027 m-3 dans un gaz dont la densité est, par exemple, 0.8 x 1025 m-3. Pour celà, il doit ioniser le gaz, multiplier la densité par 125 et ramener le plasma à la température minimum d'ionisation.

Pour multiplier par 125 la densité, il faut réduire dans le rapport 5 le rayon de la sphère de plasma. La longueur 10M du laser à dioxyde de carbone convient parfaitement pour passer de 10 /2~2 à 0.7 m.

Les considérations développées ci-dessus à propos du laser au néodyme montrent que pour un potentiel de confinement de 250 obtenu avec une puissance laser de 0.6 MW appliquée pendant un quart de période, qui est ici 130 fois plus long que dans le cas précédant, on aura la densité 1027 m-3, mais à une température de 3/5 250 = 150 eV qui est dix fois trop élevée.

Cette température baisse rapidement si l'on prolonge l'impul- sion laser au-delà de la durée t/4 . Mais elle baisse plus rapidement encore si on interromp l'impulsion du laser pour laisser refroidir le plasma et si on la reprend ensuite à un niveau plus faible. On peut lors de cette nouvelle impulsion arriver à la densité 1027 m-3 avec moins de puissance que la première fois parce que l'énergie d'agitation thermique est beaucoup plus faible au départ.

En comparant la fusion D.T. (deutérium-tritium) et la fusion D.D., on va montrer comment notre système, grâce à l'action du gradient de son champ magnétique, permet la fusion D.D, ce qui est un grand progrès, étant donné les difficultés que l'on a pour produire le tritium et l'action destructrice produite par le neutron, libéré par la fusion D-T.

Lorsque deux noyaux de charges et de masses différentes se rapprochent et commencent à être liés par des forces nucléaires, ils se mettent à tourner autour du centre de gravité de l'ensemble.

On prend ce centre comme origine des coordonnées et, comme plan de référence, le plan perpendiculaire au moment cinétique.

On définit le centre électrique de l'ensemble des charges électriques comme on définit le centre de gravité par rapport aux masses.

Le rayonnement électromagnétique des deux noyaux est, en première approximation, celui d'un doublet électrique porté par la ligne des centres, toutes les charges positives étant supposées concentrées au centre électrique et compensées par une charges négative équivalente située au centre de gravité.

On sait calculer l'énergie rayonnée par un tel doublet et les forces de freinage qui en résultent pour les deux noyaux.

Dans le cas de la fusion D.T., la distance entre le centre électrique et le centre de gravité, où sont localisées les charges te et -2e, est égale au dixième de la distance entre les noyaux D et T
Dans le cas de la fusion D.D., le centre électrique et le centre de gravité sont confondus; il n'y a plus de doublet électrique pour freiner la rotation par son rayonnement.

Dans ces conditions, les forces appliquées aux particules passent toujours par l'origine et l'équation du mouvement dépend de deux intégrales premières: la conservation du moment cinétique et la conservation de l'énergie. Celà donne des trajectoires symétriques par rapport au rayon vecteur correspondant à la distance minima entre les particules. Ces trajectoires sont ouvertes ou fermées sans possibilité de passage d'une forme à l'autre, c'est à dire sans possibilité de captation.

Un champ magnétique homogène n'y change rien; en effet, pour étudier les mouvements dans un tel champ, on se place dans un trièdre tournant à la vitesse angulaire de Larmor; l'accélération de Coriolis s'oppose alors à l'action du champ magnétique et l'on se trouve ramené au cas précedent.

Ces considérations expliquent pourquoi, dans un tokamac, il est beaucoup plus difficile d'obtenir la fusion D.D. que la fusion D.T.

I1 en va tout autrement dans le système objet du présent brevet où la fusion s'opère dans un champ magnétique présentant un très fort gradient.

Ce champ magnétique est produit par des courants circulaires très intenses excités par l'onde laser; leur diamètre se chiffre en dixièmes de micromètres.

Dans le plan de référence, ce champ a des composantes qui semblent issues du centre de gravité; elles incurvent progressivement,dans une direction perpendiculaire à ce plan, les composantes de vitesse qui y sont comprises.

On appelle champ magnétique radial ces composantes du champ magnétique. Si l'on néglige le rayonnement, les trois équations dont dépend le mouvement expriment que:
- l'accélération normale au plan de référence est égale à l'action du champ magnétique radial sur les composantes de vitesse situées dans le plan de référence,
- la dérivée du moment cinétique est égale au moment des forces dues à l'action du champ magnétique radial sur les composantes de vitesse normale au plan de référence,
- l'énergie intra-nucléaire perdue se retrouve dans la somme de l'énergie cinétique de rotation et de l'énergie cinétique de translation, dans la direction normale au plan de référence.

Ce transfert d'énergie vers l'énergie cinétique de translation joint aux pertes par rayonnement, fait tomber au niveau fonda mental le noyau |le qui initialement était excité à la limite de rupture.

Un gradient de champ magnétique assez fort pour déclencher de tels effets ne peut être réalisé que dans un domaine très petit et, dans ce domaine, l'action est très dissymétrique.

En effet: les électrons soumis au champ quadripolaire tournant du laser forment des anneaux de courant dont l'ensemble se contracte comme un solénoïde parcouru par un courant intense.

Selon que les noyaux D.D. tournent dans le même sens que les électrons ou en sens contraire, la force appliquée à l'ensemble D.D est dirigée vers la région où le champ magnétique est plus faible et l'action cesse rapidement, ou elle est dirigée vers la région où le champ magnétique est plus fort et l'action se poursuit en participant à la compression du plasma fusible au détriment de l'énergie nucléaire. Ce phénomène est important car, grâce à lui, la dispersion du plasma est retardée, la fusion est plus complète et la densité de noyaux 14a excités suffisante pour provoquer une réaction stimulée.

A la force exercée sur un moment magnétique par le gradient du champ magnétique correspond un potentiel qui est épuisé à 90% lorsqu'on s'éloigne du centre de trois fois le rayon de l'anneau qui génère le champ magnétique.

Ce résultat permet de préciser comment se fait le transfert d'énergie de la forme intr & nucléaire à la forme cinétique, lorsque deux noyaux N excités, ayant des moments magnétiques parallèles, arrivent en présence: c'est à partir d'une distance égale à trois fois leur rayon qu'ils pourront interagir.

Le rayon Ht est sensiblement égal au rayon D , multiplié par
La section de choc pour la désexcitation réciproque est donc égale à ( P x 3 ) = 14 fois la section de choc pour la rencontre D.D. Les noyaux D.et He excités ayant à peu près la même vitesse, il y aura autant de désexcitations He de que de rencontres D.D, s'il y a 14 fois plus de noyaux D que de
He excités
Au cours de la désexcitation hle , les forces magnétiques travaillent contre la répulsion électrostatique; et finalement c'est cette répulsion qui donne leur énergie cinétique aux hélions, quand l'énergie intra-atomique est épuisée.

Par ce mécanisme, la fusion D.D. se propage hors de la zône de fort gradient de champ magnétique où elle est née. Les hélions à haute énergie développent une très forte pression avec fort peu de matière; ils font pratiquement le vide dans la zône où ils apparaissent.

Le deutérium qui entoure cette zône est refoulé sous forme d'onde de choc où la densité explosive est atteinte. Les hélions excités créent le gradient de champ magnétique et, après désexcitations, donnent par choc l'impulsion nécessaire aux noyaux D pour poursuivre la fusion. Mais hors du champ magnétique générépsr l'onde laser, qui imposait l'orientation du moment magnétique des noyaux H excités, cette orientation devient progressivement aléatoire. Mais alors, les hélions excités ont autant de chance de se rencontrer en se présentant des pôles opposés,
ce qui permet la liberation de l'énergie nucléaire, que de se
rencontrer en se présentant des pôles identiques, ce qui les
casse.

I1 en résulte deux fois moins d'hélions de haute énergie qui par choc, lancent deux fois moins de noyaux D...etc... et
la réaction en chaîne s'arrête.

Le fonctionnement des lasers à dioxyde de carbone décrit
ci-dessus est nécessaire au démarrage mais, ensuite, ce fonc
tionnement est très facilité si l'on prépare la cible dans l'onde
de choc de l'explosion précédente; dans une zône où le deutérium
n'est pas encore chargé d'hélium, mais est déjà fortement
comprimé. La seconde explosion, qui est alors produite, n'est
pas isotope, le flux de quantité de mouvement présente un maximum
très accusé dans la direction de l'explosion précédente, là où
ce flux se superpose au reflux du plasma dans le vide laissé par
les rayons .

Cette dissymétrie de l'explosion engendre le courant gazeux
qui permet de renouveler le matériau fusible. Ce courant est
amorcé lors du démarrage par un courant ascendant thermique.

L'énergie produite par une micro-explosion est de l'ordre
du centième de joule.

Pour produire un mégawatt, il faut que les explosions se
succèdent à la cadence de 108 sec-1 ; c'est compatible avec
le comportement du plasma que l'on vient de décrire.

En ce qui concerne les lasers au néodyme, ils doivent, à
chaque impulsions, fournir 108 watts pendant 10-12 sec., ce qui
fait 10-4 joule. Il n'y a pas de difficulté du point de vue
de l'énergie emmagasinée, mais pour obtenir des impulsions aussi
brèves, il faut que l'auto-oscillateur soit un laser à cavités
très courtes, que l'on ne peut réaliser que par couche mince.

Quand on a obtenu un millefeuille d'une certaine épaisseur,
on le découpe et on empile les morceaux pour obtenir une longueur suffisante.

On constitue ainsi une suite itérée de résonnateurs séparés par des semi-réflecteurs bien connue des théoriciens des filtres: la distance entre deux semi-réflecteurs est voisine d'un nombre entier de demies longueurs d'onde; le rapport entre la longueur des impulsions à passer et cette distance est sensiblement égal au coefficient de surtention, lequel est lié au coefficient de réflexion des semi-réflecteurs. On sait calculer les coefficients de réflexion des semi-réflecteurs qui encadrent cette suite pour que l'ensemble forme un filtre de bande. On sait de même comment disposer un semi-réflecteur et un réflecteur à réflection totale pour régler le temps de récurrence entre les impulsions.

Selon une caractéristique de l'invention, on améliore le rendement du système en modulant l'impulsion des lasers au néodyme, c'est à dire pratiquement en remplaçant l'impulsion unique par deux ou trois impulsions très rapprochées, les premières sont de moindre énergie et permettent de réduire l'agitation thermique, afin de réduire le rayon de la zône de choc. Les trajectoires rectilignes des noyaux D convergent alors plus près du centre où le gradient de champ magnétique devient plus intense.

Dans ces conditions, le moment du couple de freinage appliqué aux noyaux D.D est considérablement augmenté et l'énergie d'impact nécessaire pour obtenir la fusion substentiellement diminuée.

Afin d'exciter en phase les huit chaines laser, on fait diverger le faisceau et, à l'aide d'un transformateur de mode, on le fait passer du mode TE,1 au mode TMOI (notation des guides circulaires). Toutes ces techniques sont connues.

L'énergie se propageant sous le mode TMD traverse une lentille sectorale qui, à travers deux angles de Brewster, distribue l'énergie à huit barreaux qui constituent les premiers étages laser amplificateurs.

Après quoi, les lasers amplificateurs s'inscrivent dans une forme qui englobe la zone où s'effectue la fusion de façon à utiliser, le plus directement possible comme puissance de pompage, la lumière qui en est issue.

En effet les--räyunsce-pr-daits--par la fusion perdent leur énergie en ionisant le deutérium et c'est la lumière émise par l'agitation thermique des électrons et leur recombinaison avec les ions qui, après filtrage par réflexion sur les tubes de la chaudière tubulaire, fournit la puissance de pompage.

A cet effet, les tubes d'écoulement du fluide thermique dont l'ensemble forme la chaudière tubulaire, ont des sections déterminées de telle sorte que leurs surfaces externes réfléchissent, d'un tube sur l'autre, le rayonnement issu de la fusion.

Les surfaces réfléchissantes de ces tubes absorbent une bonne partie de l'énergie qu'elles transmettent au fluide thermique, mais elles sont aussi dopées d'atomes de chrôme incrustés, qui piègent une partie de la lumière afin de la restituer dans la raie rouge du chrôme destinée au pompage des lasers au néodyme.

L'invention prévoit en outre: - une forme particulière de l'ensemble laser adaptée à ce système de pompage, - des moyens pour déclencher ces lasers en phase à partir de l'auto-oscillateur et des moyens pour régler les phases relatives des différents faisceaux dans la tache focale, afin de constituer un mode quadripolaire tournant, - un dispositif non réciproque pour protéger les lasers du rayonnement direct, - un ensemble de système de mesure pour le réglage, le contrôle et l'asservissement des phénomènes.

L'invention sera mieux comprise par les explications qui vont être données en corrélation avec la description des figures, parmi lesquelles: - la fig.l illustre une demi-coupe méridienne du dispositif, - la fig.2 est une vue de la pièce principale désignée par 1, figure 1 - la fig.3 précise la structure géométrique de la chaudière tubulaire désignée par 8, figure 1 - la fig.4 est une vue de dessus de la lentille is et des barreaux de matériau actif qui l'illuminent, - la fig.5 illustre l'analyseur de symétrie.

La pièce 1, fig.l, est la pièce centrale sur laquelle les autres organes sont raccordés. Sur sa face inférieure 2,sont taillés les huit miroirs fixes qui focalisent en F les faisceaux lasers.

On a désigné par 6,l'un des tubes d'entrée; il fait partie d'un ensemble qui regroupe les quatres tubes d'entrée et se fixe sur la pièce 1 par les brides 5 et 7, le tout est agencé pour que le fluide thermique qui entre par là,refroidisse l'ensemble de la pièce 1, la traverse et pénètre dans la chaudière tubulaire par l'un des quatre tubes 10.

Le fluide thermique circule ensuite dans la chaudière tubulaire dont le principe est exposé ci-dessous, en corrélation avec la description de la fig;3 ; elle est désignée ici, dans son ensemble par 8. Le fluide chaud ressort par l'un des quatre tubes 9 qui traverse la pièce 1 à travers une gaine isolante.

Les dispositifs de mesure et de contrôle forment un ensemble 4 qui est raccordé à la pièce 1 par la bride 5, à travers une semelle isolante.

La fig.2 représente la pièce 1 vue de dessus; le contour des miroirs placés sur la face inférieure de la pièce est indiqué en traits interrompus; on reconnait les brides 5 et 7 qui apparaissent parce que l'ensemble de mesure 4 et l'ensemble des tubes 6 ont été enlevés.

La cloche 12 fig.l isole de l'atmosphère le deutérium dans lequel s'effectue la fusion; elle laisse passer, avec le minimum de pertes, la lumière rouge destinée au pompage des lasers; elle est raccordée à la pièce 1 par la bride 13
Entre cette bride 13 et la bride 7 se trouve la couronne dans laquelle sont encastrés les hublots qui laissent entrer les faisceaux laser.

On a désigné par 14 l'un des huit hublots par lesquels entrent les faisceaux =lV, les plaques transparentes sont inclinées selon l'angle de Brewster.

On a désigné par 15 l'une des huit fenêtres qui réfléchissent les ondes ss ~lO et laissent passer les ondesi\=i
Toutes ces ondes sont ensuite focalisées par les miroirs 2 au point F. On parvient à ce résultat en constituant ces fenêtres 15 par des couches multiples qui constituent des interferomètres de Pérot et Fabry pour les ondes # = 1 m mais de bons réflecteurs pour # = 10 m.

Les fenètres 14 et 15 encastrées dans des hublots étanches ferment la chambre dans laquelle est enfermé le deutérium.

L'orientation et la phase des faisceaux s'ajustent par des miroirs extérieurs à cette chambre; les miroirs 3 règlent l'entrée des faisceaux des lasers au néodyme et les miroirs 11 règlent l'entrée des faisceaux des lasers au dioxyde de carbone.

Sur la figure 2, les miroirs 3 sont représentés en pointillés parce qu'ils sont cachés par un capot ; on a représenté les vis de réglage qui apparaissent sur ce capot.

Sur cette même figure 2 les fenêtres 14 apparaissent à l'intérieur de tubes cylindriques qui ont été coupés.

L'ensemble que l'on vient de décrire provoque la fusion du deutérium.

I1 convient maintenant de décrire les organes qui utilisent l'énergie produite sous forme de lumière et particulièrement de préciser la structure géométrique de la chaudière tubulaire désignée par 8 , figure 1
La figure 3 illustre la coupe d'une grille formée de tubes prismatiques, définis de telle sorte qu'aucun rayon lumineux ne la traverse directement, mais que tous les rayons soient transmis dans une direction parallèle à la direction initiale après deux réflexions sur des plans parallèles.

l'onde plane se propage parallèlement à oy venant de y o
Les sections des tubes prismatiques sont des quadrilatères dont les angles aux sommets ont pour valeur #/3 2#/3 et deux fois #/2 . On désignera les sommets par la valeur de leur angle.

Les sommets W/3 et 2n/3 sont situés sur un axe de symétrie parallèle à oy
Les sommets 2/2 sont symétriques par rapport à cet axe.

Ils sont séparés par une distance 2a et forment avec le sommet #/3 un triangle équilatéral. Le sommet 2#/3 est le centre d'un triangle équilatéral symétrique du précédent par rapport à la base joignant les sommets #/2 et dont le troisième sommet est l'angle #/3 d'un tube de la couche suivante. Le module de répétition par translation selon oy d'une couche de tubes à la suivante est donc égal à deux fois la hauteur d'un triangle équilatéral, soit 2F3
Le module de répétition par translation selon ox est égal à 4a, les sommets 2 sont alignés et séparés par la distance 2a , les sommets PL/3 étant placés alternativement de part et d'autre de cet alignement.

Les lignes flèchées indiquent la marche de quelques rayons lumineux moyens. On distingue deux cas possibles: ou bien ils se réfléchissent successivement sur deux faces issues de sommets /3 , ou bien sur deux faces issues de sommets 25/3
Dans les deux cas, la largeur du faisceau est " a " et rien n'intercepte sa propagation.

Lorsqu'un rayon traverse deux couches successives de tubes déduites l'une de l'autre par translation 2 3 d , chaque rayon se réfléchit selon les deux possibilités, ce qui fait que tous les rayons sortent en phase de la seconde couche.

Cette propriété est citée ici à titre de curiosité théorique car la présente invention utilise la lumière diffuse et les faces des tubes ne sont pas polies, mais revêtues d'une couche absorbant partiellement la lumière et contenant des atômes neutres de chrôme destinés à piéger les composantes du spectre qui excitent les lasers au néodyme.

A l'intérieur des tubes circule le fluide thermique.

L'aluminium aluminité est un matériau qui convient pour la fabrication des tubes.

Afin de simplifier l'exposé ci-dessus, on a postulé que l'onde transmise à travers les grilles formées par les tubes était plane ; l'homme de l'art sait adapter le tracé de ces grilles aux ondes sphériques, tout en respectant leurs propriétés.

Après avoir traversé la chaudière tubulaire 8 et la cloche 12 qui l'entoure, l'onde lumineuse pompe les lasers.

L'invention prévoit une structure de l'ensemble des huit lasers spécialement adaptée à ce mode de pompage: les huit amplificateurs s'enroulent en hélice de façon jointive, formant un ensemble solide dont la section méridienne est désignée par 15, fig.l . Cet ensemble englobe la cloche 12.

Ainsi, les lasers occupent un espace réduit, ce qui facilite l'utilisation du dispositif objet de l'invention.

I1 faut donc: 10) définir la géométrie de ces lasers, afin qu'ils guident convenablement l'onde qu'ils amplifient.

2") définir le dispositif qui permet d'exciter en phase les huit amplificateurs.

30) définir le dispositif qui permet de régler les phases relatives des ondes issues des huit lasers au point où elles convergent et les asservir pour qu'elles forment en permanence au foyer un mode quadripolaire tournant.

40) définir un dispositif à propagation non réciproque qui, placé à la sortie des amplificateurs, les protège contre les ondes provenant directement du foyer de fusion.

Le mode de propagation des ondes électromagnétiques guidées dans les lasers de puissance, objet de l'invention, ressemble beaucoup plus à une onde plane caractérisée par le fait que l'intensité est uniforme dans une surface d'onde dont les dimensions sont très grandes par rapport à la longueur d'onde,qu'aux modes de propagations guidées utilisés dans les télécommunications.

où la distribution de l'intensité est du même type que celle observée dans les taches focales.

Sur la figure 1, 16 désigne l'ensemble du solide vitreux dans lequel sont taillés les lasers, les traces des parois internes et externes sont des ellipses homofocales qui guident les ondes électromagnétiques amplifiées par l'effet laser.

Ces guides s'enroulent en hélice de bas en haut de la cloche.

Des supports mécaniques métalliques, tel que celui désigné par 29, sont fixés dans le matériau vitreux entre les zones où s'effectue la propagation.

Le pas des hélices étant faible, le plan auscul ateur à la fibre moyenne d'un guide est presque perpendiculaire à l'axe de la cloche et le centre de courbure est pratiquement sur cet axe.

Pour étudier la propagation dans un tel système, on utilise d'une part, les coordonnées cylindriques y g z avec l'axe oz perpendiculaire au plan ausculateur qu'il perce au centre de courbure et, d'autre part, les coordonnées w 9 dites de l'ellipsoïde de révolution aplati. L'azimut y est le même dans les deux cas.

Dans les plans méridiens, la correspondance entre les coordonnées g 2 et t t s'écrit:

Les familles d'ellipses et d'hyperboles respectivement définies par # = ctc et " = ctc sont homofocales et ortho- gonales. Elles sont représentées fig.l.

Les coordonnées du foyer sont z = 0 # = c.

Les longueurs des demi-axes des ellipses sont: (3) a = c ch # # = c sh #
Le guidage des ondes se fait par réflexion totale sur des dioptres qui sont des portions d'ellipsoïdes # = cte Le sommet d'une hyperbole # = ctc dans un plan méridien correspond au cercle équatorial d'un hyperboloïde et a pour coordonnées (4) z = O -p a' = c sini
Le cône asymltotique est constitué par des droites faisant l'angle # avec l'axe oz.

La section de l'hyperbololde par un plan tangent au cercle équatorial et parallèle à oz, se décompose en deux droites faisant des angles # # avec oz. Ces droites sont appelées génératrices de l'hyperboloïde parce que, en faisant tourner l'une d'elles autour de l'axe oz, on engendre la surface de l'hyperboloïde.

Un hyperboloïde est le lieu des rayons lumineux faisant l'anglet # avec oz. Cet angle " varie avec le rayon équatorial de l'hyperboloïde, selon la loi déduite de (4).

Ces rayons lumineux sont totalement réfléchis par les dioptres # = ctc limitant le guide optique.

Soit r l'angle d'incidence sur le dioptre, à l'intérieur du matériau vitreux: - Les rayons incidents et réfléchis sont contenus dans un plan normal au plan méridien et à la courbe méridienne. Connaissant la dérivée dz/dp au point de réflexion, la condition de réflexion totale s'écrit:

( n étant l'indice optique du matériau.)
Si l'on reporte cette condition dans l'expression (2) de on trouve:

I1 ne peut y avoir réflexion totale dans l'ellipsolde que dans les zônes où P est supérieur à cette valeur minimum.

Une autre donnée intéressante est l'écart dazimuty entre le point où un rayon perce le plan équatorial et le point où il atteint le dioptre elliptique où il se réfléchit:

On remarque que cet écart d'azimut est indépendant de
Les photons situés à l'origine dans un même plan méridien progressent en restant dans un même plan méridien.

Les franges d'interférences relatives à la réflexion des onde sur les dioptres sont centrées sur des surfaces : c.

La distance entre les centres de deux franges voisines est 7 X Gos r
Dans les guides d'onde pour télécommunications, les dimensions transversales u front d'onde sont de l'ordre de la longueur d'onde; les ondes successivement réfléchies diffractent les unes dans les autres; l'onde initiale perd son individualité et il est nécessaire que les surfaces Q cs qui limitent le guide correspondent à des franges bien déterminées.

Pour les lasers de puissance, les dimensions transversales du front d'onde du faisceau entrant, sont grandes devant la longueur d'onde et la diffraction négligeable.

Les faisceaux réfléchis se juxtaposent sans interférer l'un dans l'autre et gardent leur individualité. Chaque réflexion a son système propre de franges. Cela n'implique plus aucune condition restrictive à la valeur de , correspondant au dioptre limite; par contre, il convient de s'assurer que le front de l'onde sortant du guide correspond bien à l'intégralité du front de l'onde qui est entrée et celà sans cassure à la sortie.

Pour la réalisation, il est utile de connaître les rayons de courbure des ellipses et des hyperboles en

<tb> un <SEP> point <SEP> tt <SEP> quelconque.
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<SEP> À <SEP> C <SEP> (5t1 <SEP> - <SEP> t <SEP> eco
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Pour établir un avant-projet, on fixe la forme de la cloche vitreuse dans laquelle sont taillés les lasers.

La méridienne de la fibre moyenne est alors donnée, ainsi que la pente P = (X de cette méridienne dans les coordonnées 4Z liées à la cloche. I1 convient alors de remarquer que les coordonnées de l'ellipsoïde aplati à partir desquelles on définit le guide et les coordonnées liées à la cloche ne sont pas les mêmes.L'origine des Z peut être très différente, mais le pas des hélices étant faible, les deux systèmes de coordonnées sont assez peu inclinés l'un par rapport à l'autre pour que l'on puisse écrire, dans le système de l'ellipsoïde aplati:

Si, à cette équation, on adjoint l'equation (F ) donnant l'angle te considéré comme un impératif du guidage, on obtient, en résolvant, les coordonnées #m "m de l'ellipse moyenne et du rayon lumineux moyen:

connaissantt 8 et p l'équation (2) permet de calculer C
Ainsi se trouvent définis les guides dont les dioptres réfléchissant s'intègrent le mieux dans la surface de la cloche.

I1 est possible de poursuivre le calcul beaucoup plus loin, mais celà sort du domaine du présent brevet.

Les huit amplificateurs en hélice qui s'inscrivent dans le solide 16 se déduisent géomètriquement les uns des autres par rotation de / . Ils sont excités par huit barreaux amplificateurs 17 qui présentent cette même caractéristique et qui sont eux-mêmes excités par un auto-oscillateur à cavités multiples dont on a donné plus haut les caractérisques. Cet oscillateur est pompé par la lumière issue de la cloche 12 et réfléchie sur lui après être passée entre les barreaux 17.

A la sortie de 1'auto-oscillateur, les ondes se propagent selon le mode TMo, , c'est-à-dire un mode à symétrie de révo- lution ayant son champ électrique dans le plan méridien.

La lentille 18, vue en coupe fig.l et en plan fig.3 est constituée par huit secteurs qui transmettent l'énergie aux barreaux à travers deux dioptres se présentant sous l'angle de Brewster.

Les huit ondes amplifiées par les amplificateurs 16 et focalisées en F par les miroirs 2, sont en cours de propagation réfléchies par les miroirs 3, réglables en trois points, ce qui permet d'ajuster le pointage et le déphasage relatif des huit ondes pour que l'ensemble forme un mode quadripolaire tournant.

Les vis de réglage apparaissent fig.2 où les miroirs 3 sont représentés en pointillés parcequ'ils sont cachés par le capot.

Tous les dispositifs de mesures électro-magnétiques relatives à ce mode, ainsi que celles relatives au diamètre de la sphère rayonnante et à sa température, sont réunies dans l'ensemble désigné par 4, fig.l
Cet ensemble comprend un diaphragme 20, par lequel entre la lumière issue de la zone de fusion, et les trois miroirs 21, 22, 23, qui donnent de la région F une image très agrandie sur le plateau 24 dans lequel sont logées l'ensemble des cellules de mesure constituant l'analyseur de symétrie dont le schéma, vu en plan, est illustré fig.5.

Toutes ces mesures sont transmises à un ordinateur qui calcule les corrections à effectuer en agissant sur les vis de réglage des miroirs. On notera qu'il y a autant de cellules de mesure que de vis de réglage.

Les huit faisceaux issus du laser à dioxyde de carbone sont réglés de la même façon que ceux issus de l'auto-oscillateur au néodyme.

Pour effectuer le réglage initial, une petite sphère métallique est placée au point qui deviendra le foyer F.

Pour maintenir la rigidité de la pièce 1, dans laquelle sont taillés les miroirs 2 et qui porte les hublots 14 et 15 et les miroirs réglables 3 et 11, il est nécessaire de prévoir de fortes cloisons disposées dans des plans méridiens. C'est à l'intérieur d'une de ces cloisons qu'on loge les dispositifs mécaniques qui amènent en F la petite sphère métallique, lors du réglage initial, et la retire ensuite. Pendant ce réglage, les lasers au néodyme sont pompés par des lampes flood extérieures, dont quelques unes sont symboliquement représentées par 19. Le laser à dioxyde de carbone doit être pompé par des impulsions électriques pendant les réglages comme en fonctionnement.

En fonctionnement, il importe de régler avec le plus grand soin le décalage entre l'impulsion > -ldoet l'impulsion/^lK
Les réglages des miroirs utilisent le fait qu'un mode quadripolaire tournant est la somme de deux modes TEL ou TM2 (l'indice 2 indique que le mode a deux périodes azimutales) orthogonaux entre eux et en quadrature de phase. Les modes transverses électriques TEQont ici un meilleur rendement que les modes transverses magnétiques TMz.

Un mode TEZest caractérisé par le fait qu'il a deux plans de symétrie orthogonaux entre eux et deux plans d'antisymétrie qui sont les bissecteurs des précédents.

Lorsque deux modes TE2sont orthogonaux, les plans de symétrie du premier mode sont plans.d'antisymétrie du second et réciproquement. Ce sont ces propriétés de symétrie que détecte l'analyseur de symétrie représenté schématiquement figure 5.

Pour analyser le mode constitué par les ondes qui convergent au foyer F, on avance la petite sphère métallique jusqu'au point F
Les ondes qui convergent vers F sont alors réfléchies par la sphère et traversent le diaphragme 20 du dispositif 4, puis sont réfléchies par les miroirs 21, 22, 23 vers les cellules de l'analyseur de symétrie 24.

L'analyseur de symétrie désigné par 24, fig.l, et illustré en plan fig.5, est constitué par trois groupes de huit cellules de mesure, réparties sur trois cercles 26, 27, 28, et insérées dans un même support.

Ces cellules de détection sont précédées par des analyseurs qui ne laissent passer que la composante de l'onde électrique orientée suivant les traits qui barrent les cercles. Ainsi, le mode TEzsymétrique par rapport à xx' et yy' sera reçu également par toutes les cellules de la couronne 6 et pas du tout par les cellules de la couronne 28. (Les plans méridiens de symétrie sont les mêmes pour la pièce 1 et pour l'analyseur de symétrie).

Le mode TEx antisymétrique par rapport à xx' et yy' sera reçu par les cellules de la courronne 28 et pas par celles de la couronne 5.

La couronne 27 porte des cellules dont les analyseurs sont orientés à + Q4 par rapport aux analyseurs des couronnes 26 ou 8. Pour la moitié de ces cellules l'angle r/4 est pris en tournant dans un sens et, pour l'autre moitié, entournant en sens contraire. Si les deux modes TE2 orthogonaux sont en quadrature de phase, toutes les cellules de la couronne 27 sont également illuminées et l'on a le mode quadripolaire tournant parfaitement circulaire. Si il y a une différence d'éclairage entre les deux groupes de cellules, l'onde est quadripolaire elliptique.

Des dispositifs indifférents au regard de l'invention permettent de faire fonctionner les amplificateurs laser indépendamment ou par groupes pour mieux mesurer leurs phases respectives. Parmi les procédés possibles, on peut citer ceux qui, par ailleurs, sont utilisés pour protéger les lasers contre l'éclair lumineux émis par la fusion et réfléchi dans le laser par les miroirs 2 et 3
Deux polariseurs constitués par des piles de lames à faces parallèles, recevant la lumière sous l'angle de Brewster, encadrent un rotateur de polarisation par effet Faraday.

Les plans d'incidence des polariseurs font entre eux un angle de 450 et la rotation Faraday est, elle aussi, de 450.

Dans un sens de propagation, la polarisation de la lumière tourne comme le plan d'incidence et est transmise sans atténuation. Dans le sens de propagation opposé, les deux sens de rotation se contrarient et la lumière aborde le second polarisateur avec son champ électrique perpendiculaire au plan d'incidence; il en résulte une très-forte réflexion.

Un tel dispositif peut donc permettre à la lumière de sortir du laser, mais le protège contre la lumière produite par la fusion.

C'est également à l'aide de polarisateurs et d'effet
Faraday commandé par un courant variable que l'on peut continuer à utiliser l'analyseur de symètrie fig.5 pendant la marche de l'appareil. On utilise alors la petite sphère de plasma, comme on a utilisé la sphère métallique lors du réglage initial, mais il faut interrompre la transmission de la lumière à chaque cellule avant que n'explose la fusion.

On peut ainsi asservir les miroirs 3 et il de telle sorte que la formation du mode quadripolaire tournant soit maintenue en dépit des contraintes variables qui peuvent intervenir en cours d'exploitation.

Selon une caractéristique de l'invention, après le démarrage, on insert un ensemble de réflecteurs entre les lampes flood et les lasers et l'on retire le bloc formé par les lampes flood et leur alimentation, qui devient disponible pour faire démarrer un autre dispositif provoquant la fusion.

En résumé, pour réaliser la fusion des atomes légers et, en particulier, du deutérium, l'invention prévoit d'utiliser deux impulsions superposées à # = 10 m et #= 1 m se propageant selon le mode quadripolaire tournant, l'impulsion # = 10 m ionise le matériau et forme une boule de plasma dont la densité est égale à la densité critique pour les ondes # = 1 m, les lasers au néodyme font alors exploser le plasma et l'explosion se propage dans la totalité de la boule amassée par les lasers à dioxyde de carbone qui sont beaucoup moins puissants, mais travaillent pendant plus longtemps.

Dans cette méthode, l'énergie d'impact est produite à partir de l'énergie cinétique cohérente, ce qui réduit au minimum le rayonnement thermique.

L'énergie produite par une telle explosion est de l'ordre d'un centième de joule, mais elle nécessite une énergie laser beaucoup plus faible et peut être renouvelée 108 fois par seconde, ce qui donne finalement un mégawatt en énergie lumineuse qui chauffe une chaudière, tout en fournissant la puissance de pompage des lasers au néodyme.

Aux deux poles de la boule de plasma, de forts gradients de champ magnétique permettent la fusion du deutérium, on évite ainsi l'émission de neutrons si néfastes de la fusion deutérium tritium.

Claims (6)

Revendications.

1/ Dispositif destiné à provoquer la fusion thermonucléaire

à l'aide d'impulsions d'ondes électromagnétiques cohérentes

générées par deux ensembleçlaser: le premier est un laser

au dioxyde de carbone dont l'énergie, se propageant sous un

mode quadripolaire tournant, focalisée par des miroirs (2)

en un point F prépare la cible en ionisant le matériau fusi

ble et en faisant passer le plasma ainsi obtenu d'une densité

inférieure à 1025 m-3 à une densité supérieure à 1027 m-3 ,

l'impulsion est modulée de telle sorte que la température

de la cible soit la plus basse possible, de façon à faciliter

le travail du laser au néodyme qui, se propageant sous le même

mode, provoque l'explosion, les particules à haute énergie

qui en résultent produisent un éclair en entrant en collision

avec le milieu ambiant contenu dans une enveloppe en grande

partie transparente,la lumière chauffe les tubes d'une chau

dière tubulaire (8) dessinée de telle sorte qu'une partie

de l'énergie lumineuse piégée par les atomes de chrôme qui

dopent la surface de ces tubes est utilisée ultérieurement

pour pomper l'ensemble de lasers au néodyme (16) entourant

la source de pompage, la forme du mode est contrôlée par un

ensemble de mesures comprenant, entre autres, un analyseur

de symétrie (24), le démarrage du dispositif est assuré par

un ensemble amovible de lampes flood (19).

2/ Dispositif selon revendication 1 dans lequel les ondes

issues des lasers à dioxyde de carbone entrent dans la chambre

contenant le matériau actif par des hublots garnis de

plaques (14) inclinées selon l'angle de Brewster et les ondes

issues des lasers au néodyme entrent par des fenètres (15)

à couches multiples qui fonctionnent comme des interfero mètres Perot Fabry pour,, Itct, et réfléchissent totalement

les ondes r =t 3/ Dispositif selon revendications 1 et 2 dans lequel le gaz

contenu dans la cloche 12 est du deutérium.

4/ Dispositif selon revendication 1 dans lequel la chaudière

tubulaire (8) dont le rôle est d'absorber la plus grande

partie de l'énergie lumineuse produite par la fusion afin

de chauffer le fluide thermique et de transmettre l'autre

partie située dans le spectre du chrôme afin de pomper les

lasers au néodyme, cette chaudière est caractérisée par le fait

que la section des tubes qui la composent sont des quadri latères dont les angles au sommets ont pour valeurs M 2 S

et deux fois #/2 ; on désigne chaque sommet par la valeur de son angle; les sommets #/3 et 2#/3 sont situés sur un axe

de symétrie parallèle à oy; les sommets #/2 sont symétriques

par rapport à cet axe, ils sont séparés par une distance 2a

et forment avec le sommet #/3 un triangle équilatéral; le

sommet 2#/3 est le centre d'un triangle équilatéral symétri

que du précédent par rapport à la base joignant les sommets

et dont le troisième sommet est l'angle 77 d'un tube de la

couche suivante; le module de répétition par translation

selon oy d'une couche de tubes à la suivante est donc égal

à deux fois la hauteur d'un triangle équilatéral, soit:2 a

le module de répétition par translation selon ox est égal

à 4a, les sommets M sont alignés et séparés par la distance 2a,

les sommets ri/3 étant placés alternativement de part et d'autre

de cet alignement.

5/ Dispositif selon revendication 1 dans lequel huit amplifi

cateurs lasers au néodyme enroulés en hélice forment un bloc

solide (16), la section d'un laser étant substantiellement

limitée par deux arcs d'ellipses homofocales et les rayons

lumineux étant inscrits dans les nappes d'hyperbololdes de

révolution dont les méridiennes sont homofocales avec les

ellipses.

6/ Dispositif selon revendications 1, 2 et 5, dans lequel

l'auto-oscillateur est formé de cavités couplées permettant

d'obtenir des impulsions brèves et rapprochées selon une

technique connue, un transformateur de mode, connu en lui

même, permet de passer du mode TE11 issu de l'auto-oscilla

teur au mode TMol (notation des guides circulaires) et après

passage dans une lentille sectorale, de distribuer l'énergie

entre huit barreaux amplificateurs.

7/ Dispositif selon revendications 1, 2, 5 et 6, dans lequel,

pour chacun des deux ensembles de lasers: lasers au dioxyde

de carbone ou laser au néodyme, un ensemble de vingt-quatre

cellules, disposées en trois groupes de huit, réparties

en trois cercles (26, 27, 28) permettent de repérer les

symétries et les anti-symétries des ondes laser issues du

foyer et de calculer les corrections à effectuer sur les

vingt-quatre vis réglant les positions des huit miroirs 14 ou 3

par lesquels les ondes laser entrent dans la chambre où

s'effectue la fusion, de telle sorte que l'onde focalisée

sur la cible soit du type quadripolaire tournant transverse

électrique.