Matériaux optiques et verre laser de SCHOTT : Le « cœur » de la recherche sur la fusion nucléaire

Réaliser ce qui semblait impossible : Recréer le soleil

Le soleil et les étoiles de notre galaxie sont rythmés par des réactions de fusion. Une quantité infinie d’atomes d’hydrogène s’entrechoquent en permanence, écrasant les noyaux atomiques les uns contre les autres avec une telle force qu’ils se combinent et libèrent de l’énergie sous forme de lumière et de chaleur. Pouvoir recréer et contrôler une telle réaction ici sur Terre impliquerait de libérer une source d’énergie qui ne dépendrait pas des énergies fossiles et ne produirait pas de gaz à effet de serre ou de déchets radioactifs qui déciment la planète. 

Malheureusement, recréer l’énergie du soleil n’est pas aussi simple qu’il n’y paraît.

Mission

Les chercheurs du NIF ont rencontré deux problèmes. Tout d’abord, ils avaient besoin d’un matériau unique capable non seulement de résister à d’énormes quantités d’énergie, mais aussi de diriger, de filtrer et même d’amplifier la puissance du laser en cours de route. Cela leur permettrait de maintenir à un faible niveau la quantité initiale d’énergie nécessaire à l’allumage des lasers, améliorant ainsi la probabilité d’ignition. 

Deuxièmement, ils avaient besoin de boucliers de protection contre les explosions pour éviter d’endommager l’équipement de pointe du laboratoire à chaque expérience. Et s’ils souhaitaient mener des expériences plus fréquemment, il fallait que ces boucliers soient peu coûteux et rapides à fabriquer.

Une synthèse de verre spécial unique permet la recherche au NIF

Scellement de verre spécial :
Capable de former des joints étanches et durables, l’expertise de SCHOTT en matière de scellement du verre a aidé le NIF à mettre en œuvre des baguettes de verre de scellement qui non seulement résistent aux environnements à haute température et aux chocs thermiques, mais offrent également une transmission de la lumière exceptionnelle.

Verre BOROFLOAT® :
Robuste, léger et versatile, BOROFLOAT® est un verre borosilicaté flotté à faible dilatation thermique qui résiste aux environnements les plus difficiles tout en conservant une transparence supérieure. Il s’agit donc du matériau idéal pour protéger l’équipement de pointe du NIF contre les débris.

Polariseurs, substrats pour miroirs tournants, lampes torches, plaques laser et plus encore :
Les cuves de fusion continue et les creusets à lot unique de SCHOTT ont permis la production de composants en verre sur mesure, adaptés à d’innombrables applications spécifiques. Pour le NIF, SCHOTT a fabriqué plus de 4 000 composants spécifiques pour répondre aux exigences uniques du NIF.

Comment le verre SCHOTT amplifie et guide l’énergie laser pour faciliter l’ignition nucléaire

Une impulsion laser de seulement quelques milliardièmes de joules est transmise par des fibres optiques à 48 préamplificateurs en verre de néodyme, qui amplifient plusieurs milliards de fois l’énergie du laser initial et définissent sa forme. Des miroirs et des lentilles laser guident le faisceau à travers deux plus grands amplificateurs en verre laser. Grâce à l’optique spécialisée, le laser répète ce processus quatre fois, tandis que les miroirs, les filtres et d’autres dispositifs utilisent du verre spécial pour former un faisceau homogène, de haute qualité et lisse. 

Juste avant d’atteindre la cible, les faisceaux passent par le dernier ensemble d’optiques qui transforment 4 millions de joules d’énergie infrarouge en 2 millions de joules d’énergie ultraviolette, une longueur d’onde plus courte qui est plus adaptée à l’ignition. Cette énergie ultraviolette entre en collision avec la cible, comprimant l’hydrogène à une densité 100 fois supérieure à celle du plomb et créant des températures supérieures à 100 000 000 °C. Pendant une fraction de seconde, le NIF est l’endroit le plus chaud de notre système solaire.

Ce qui était autrefois considéré comme impossible est désormais une réalité, et ce n’est que le début.

Pourquoi le verre laser est-il la clé de la fusion nucléaire ? 

Le verre possède des propriétés techniques uniques, telles que l’homogénéité, qui en font un matériau hôte idéal pour les ions de terres rares qui fournissent leur puissance aux lasers à pompage optique. Le niveau d’homogénéité et la plage d’indice de réfraction déterminent la qualité d’un matériau optique, et SCHOTT est en mesure d’ajuster et de modifier ces qualités dans une gamme de produits et de composants en verre laser actif qui peuvent être adaptés pour répondre aux besoins optiques et industriels uniques et hautement techniques, exactement ce dont le NIF avait besoin pour son laser.  

 

La résilience durable du verre BOROFLOAT®

Le verre borosilicaté flotté de SCHOTT protège l’optique précieuse du NIF des débris. BOROFLOAT ® est non seulement d’une transparence exceptionnelle, mais il est également mécaniquement, thermiquement et chimiquement résilient. Il s’agit donc du matériau idéal pour protéger l’équipement optique du NIF contre les débris nocifs pendant les tirs laser. Le procédé exclusif de micro-flottage SCHOTT permet de produire un matériau d’une excellente qualité de surface et les qualités exceptionnelles de BOROFLOAT® en matière de résistance à l’abrasion et aux rayures garantissent que le verre fonctionne même dans les environnements industriels les plus exigeants.

 

Possibilité de fabrication : Le bilan 

Il ne fait aucun doute qu’une expertise hautement technique dans le domaine de la science et de l’ingénierie des matériaux était essentielle pour développer le verre laser qui a permis au NIF de franchir le seuil d’ignition. Mais sans une expertise tout aussi compétente en matière de fabrication et de production du verre, ce verre spécial n’aurait qu’une portée limitée.

Dans son usine de Duryea, en Pennsylvanie, les spécialistes de l’optique de SCHOTT ont mis au point un procédé de fusion continue pour créer des plaques de verre plus grandes qui peuvent être découpées en morceaux plus petits. Alors que les procédés précédents ne produisaient qu’un substrat par jour, ce nouveau procédé de fusion a permis d’obtenir un rendement plus élevé, ce qui a permis au NIF d’augmenter la fréquence de ses expériences.