Z machine - Définition et Explications

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Introduction

La Z machine est le plus puissant générateur de rayons X au monde. Elle est implantée dans les locaux du site principal des laboratoires Sandia à Albuquerque au Nouveau-Mexique, États Unis d'Amérique. Conçue pour contrôler des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) soumis à des conditions extrêmes de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...), elle est principalement utilisée dans le but de rassembler les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) nécessaires à la simulation informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...) des armes nucléaires.

Elle a également permis, grâce à des expérimentations récentes, d'ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...).

L'aspect le plus impressionnant de ce générateur est qu'il s'est avéré capable de produire, depuis 2006 des températures quatre à six fois plus élevées que celle d’une bombe H (La bombe H (aussi appelée bombe à hydrogène, bombe à fusion ou bombe...).

Principe de fonctionnement

Le dispositif expérimental est constitué d'une cage cylindrique (ou hohlraum) contenant en son centre une cible cylindrique, en périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus...) plusieurs centaines de fils plus fins qu'un cheveu (à l'origine en tungstène), l'intérieur pouvant en outre contenir une « mousse » spécialement adaptée à cet usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.). 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 quelques nanosecondes. De façon simplifiée, on peut le décrire ainsi :

  • un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) extrêmement intense (20 millions d'ampères) est envoyé à travers les fils, ce qui provoque la vaporisation progressive de chacun d'eux, donnant ainsi naissance à une coquille de plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) s'appuyant sur la partie résiduelle des fils ;
  • le courant électrique continue à augmenter dans cette coquille conductrice ; sous l'effet de son propre champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) ce courant soumet le plasma à des forces de Laplace qui entraînent par pincement sa contraction violente ;
  • cette constriction du 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; leur énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) est alors transformée en énergie électromagnétique (Les forces électrostatiques et magnétiques peuvent faire déplacer des objets à distance, il...) (rayonnement de freinage des électrons), sous la forme d'un « flash » de rayons X ;
  • le flash X, par un phénomène d'onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à...), comprime violemment la cible.

L'impulsion électrique est produite par un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de 36 générateurs de Marx qui stockent leur énergie dans des cuves remplies d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) jouant le rôle de condensateurs. Ces générateurs sont déclenchés par des éclateurs permettant une décharge électrique (Le terme décharge électrique désigne des phénomènes variés :) extrêmement puissante en une fraction de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...).

Nouvelles perspectives

Dans des expériences récentes (2004-2005) dont les résultats ont été rendus publics par Sandia en mars 2006, l'augmentation du diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de fils et le remplacement des fils de tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...) par des fils d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) ont permis de mesurer dans les plasmas produits des températures ioniques de 2 à 3 milliards de degrés. Aucun dispositif de conception humaine n'avait permis jusqu'à présent d'atteindre, de façon avérée, de telles températures, bien plus élevées que celles du cœur des étoiles de taille moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) (de l'ordre de 107 à 108 degrés). Elles sont très largement supérieures aux températures requises pour la fusion des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1...) ou tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...), et permettraient, en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) sinon en pratique, la fusion d'atomes d'hydrogène avec des atomes plus lourds comme le lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) ou le bore ; ces deux réactions présentent l'avantage d'être réellement propres, dans la mesure où elles ne produisent ni neutrons ni déchets radioactifs, ce qui n'est pas le cas des réactions basées sur le deutérium et le tritium.

Pour la première fois, la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) rayonnée a dépassé (d'un facteur 3 à 4) l'estimation de l'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) 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.
La première en date est celle de Malcolm Haines, professeur et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) en physique des plasmas (La physique des plasmas est la branche de la physique qui étudie les propriétés, la...) à l'Imperial College de Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville...); elle met en avant l'apparition possible, lors de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) finale de la constriction, d'une myriade de micro-instabilités MHD dont l'énergie cinétique serait transférée aux ions, augmentant ainsi la température du plasma, puis aux électrons, qui la libéreraient en émettant des rayons X.

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