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Laboratoire Cryogénie Fusion (LCF)

Publié le 4 février 2022
Présentation
Depuis plus de quarante ans, le laboratoire LCF développe la cryo-technologie hydrogène au service des grands instruments scientifiques et des missions CEA. Les activités du LCF sont tournées vers les recherches sur la fusion thermonucléaire par confinement magnétique, la fusion par confinement inertiel et les lasers de forte puissance.

Fusion Par Confinement Magnétique
Le LCF possède une longue expertise dans le domaine des injecteurs de glaçons d’hydrogène utilisé dans les tokamaks pour alimenter et contrôler les réactions de fusion thermonucléaire. Ces travaux se font dans le cadre de partenariats nationaux ou internationaux pour les tokamaks Tore Supra, JET, JT-60SA, ITER, DEMO... Pour ces recherches, le laboratoire développe des cellules de condensation in-situ et des sources d’extrusion pour la formation des glaçons d’hydrogène à -255 °C. Une fois les glaçons réalisés à température cryogénique, ils sont accélérés au moyen de lanceurs à gaz ou centrifuges. Des diagnostics optiques rapides sont utilisés pour caractériser ces tirs de glaçons. Le laboratoire détient à ce jour le record de vitesse d’injection de glaçons de deutérium pour un tokamak avec des tirs répétitifs à 4,5 km/s.
Le pompage des "cendres" de la fusion est également étudié au laboratoire avec le développement du pompage cryo-mécanique de l'He issu de la réaction de fusion.

Fusion Par Confinement Inertiel
En 1996 la France a ratifié le Traité d’interdiction des essais nucléaires. S'étant engagée à ne plus tester les armes de la dissuasion, Elle devait alors Le LCF s'investit dans le projet Laser MégaJoule (LMJ) mis en œuvre par le CEA dans le cadre du programme "Simulation". Une expérience caractéristique du LMJ sera l’implosion par ce puissant laser d’une microbille remplie d’hydrogène permettant ainsi d’atteindre les conditions de pression et température nécessaires au déclenchement des réactions de fusion thermonucléaire. Pour que ces expériences soient réalisables, l’hydrogène, gazeux à l’état naturel, doit être solidifié à -255 °C à l’intérieur de la microbille et maintenu à cette température au millième de degré près jusqu’au moment du tir laser. Pour ce programme, le LCF apporte son expertise cryogénique au CEA/DAM pour tous les composants de la chaine cryogénique nécessaire à la réalisation et la régulation des cibles cryogéniques pour la fusion inertielle.
En parallèle, le LCF mène des recherches en hydrodynamique sur le confinement inertiel au travers de l’analyse d’explosion de bulles d’un mélange hydrogène-oxygène.

Lasers de forte puissance
Le LCF développe des cibles d'hydrogène solide à -265 °C pour l’accélération plasma (génération protons, neutrons). Pour ce faire, le laboratoire a mis au point des cryostats produisant des films d’hydrogène solide micrométriques par extrusion thermomécanique. Ces cryostats sont utilisés pour des expériences d’accélération laser-plasma sur les lasers de forte puissance avec des puissances crête pouvant atteindre le PétaWatt (PALS et ELI Beamlines en République Tchèque, Vulcan en Angleterre, ELFIE en France).
En complément de la production de cibles cryogéniques pour les lasers de forte puissance, le LCF étudie le refroidissement cryogénique des amplificateurs (Ti_Sa, Yb_YAG) de ces lasers de forte puissance afin d’améliorer leurs performances.