Les expériences menées au Joint European Torus (JET) démontrent le potentiel des rayons gamma pour mesurer le taux de réaction de fusion dans un plasma confiné magnétiquement. Une équipe internationale de chercheurs a récemment exploré cette méthode lors de tests réalisés en 2021 au JET, basé au Royaume-Uni.
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Le Contexte de la Fusion
Pour les tokamaks et autres réacteurs de fusion qui confinent un plasma en utilisant des champs magnétiques, le mélange optimal de carburant est un mélange équivalent de deutérium (hydrogène-2) et de tritium (hydrogène-3). Lorsque ces isotopes d’hydrogène fusionnent, ils forment un noyau d’hélium-5, qui se désintègre rapidement en hélium-4 et en un neutron libre à 14 MeV. Ces neutrons sont non seulement la principale source d’énergie exploitable du réacteur, mais ils servent également de mesure du taux de fusion et, par conséquent, de la puissance du réacteur.
Les Défis de la Mesure des Neutrons
Mesurer les neutrons énergétiques produits par la réaction de fusion principale peut sembler simple, mais cette méthode présente des défis pratiques. Des neutrons sont également produits par d’autres processus, créant des taux de fond élevés. De plus, le passage des neutrons de la chambre du réacteur à un détecteur externe nécessite une modélisation complexe et une calibration longue.
Les Avantages des Rayons Gamma
Les rayons gamma, en revanche, sont produits uniquement lors de désintégrations plus rares et sont plus faciles à détecter et à modéliser. Dans cette désintégration plus rare, les noyaux d’hélium-5 excités perdent de l’énergie en émettant des rayons gamma successifs avec des énergies d’environ 16 et 14 MeV. En mesurant pour la première fois le spectre des rayons gamma dans cette plage d’énergie, une des équipes a confirmé que cette désintégration rare se produit effectivement et a évalué les rendements relatifs des deux rayons gamma.
Pour déduire le taux de fusion à partir de cette émission de rayons gamma, il est nécessaire de connaître le rapport de branchement, c’est-à-dire la fréquence relative des désintégrations produisant des gamma et des neutrons. L’autre équipe a déterminé la valeur de ce rapport en intégrant le spectre des rayons gamma mesuré, en mesurant le flux de neutrons à 14 MeV et en modélisant le transport des gamma vers et à travers le détecteur.
Application Future et Avantages
Le détecteur de rayons gamma utilisé par les équipes est compact, ce qui augure une utilisation courante des rayons gamma comme méthode pratique pour mesurer la puissance des nouveaux réacteurs de fusion, y compris ITER, en cours de construction, et SPARC, dont les opérations devraient débuter en 2025.
Ces avancées démontrent que les rayons gamma pourraient offrir une alternative précise et efficace pour la mesure du taux de réaction de fusion, simplifiant ainsi les processus de mesure et réduisant les besoins en calibration complexe.
Pour plus d’informations, vous pouvez consulter les publications et sites suivants :
References
- A. Dal Molin et al., “Measurement of the gamma-ray-to-neutron branching ratio for the deuterium-tritium reaction in magnetic confinement fusion plasmas,” Phys. Rev. Lett. 133, 055102 (2024).
- M. Rebai et al., “First direct measurement of the spectrum emitted by the 3H(2H, γ𝛾)5He reaction and assessment of the γ𝛾1 and γ𝛾0 relative yields,” Phys. Rev. C 110, 014625 (2024).
