Z machine - Définition

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 soumis à des conditions extrêmes de température et de pression, elle est principalement utilisée dans le but de rassembler les données nécessaires à la simulation informatique des armes nucléaires.

Elle a également permis, grâce à des expérimentations récentes, d'ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l'énergie de fusion.

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.

Principe de fonctionnement

Le dispositif expérimental est constitué d'une cage cylindrique (ou hohlraum) contenant en son centre une cible cylindrique, en périphérie 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. 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 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 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 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 est alors transformée en énergie électromagnétique (rayonnement de freinage des 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 36 générateurs de Marx qui stockent leur énergie dans des cuves remplies d'eau jouant le rôle de condensateurs. Ces générateurs sont déclenchés par des éclateurs permettant une décharge électrique extrêmement puissante en une fraction de seconde.

Nouvelles perspectives

Dans des expériences récentes (2004-2005) dont les résultats ont été rendus publics par Sandia en mars 2006, l'augmentation du diamètre du réseau de fils et le remplacement des fils de tungstène par des fils d'acier 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 (de l'ordre de 10⁷ à 10⁸ degrés). Elles sont très largement supérieures aux températures requises pour la fusion des atomes d'hydrogène, deutérium ou tritium, et permettraient, en théorie sinon en pratique, la fusion d'atomes d'hydrogène avec des atomes plus lourds comme le lithium 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 rayonnée a dépassé (d'un facteur 3 à 4) l'estimation de l'énergie cinétique développée 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 en physique des plasmas à l'Imperial College de Londres; elle met en avant l'apparition possible, lors de la phase 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.