La Z machine

Huile de Roche · Message par **Huile de Roche** » 26 juin 2006, 13:21

explications simples pour les non-initiés

http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm

Pour les non-scientifiques :

Les lecteurs demandent si ces température ioniques dépassant les deux milliards de degrés ont effectivement été mesurées. La réponse est oui. Un phénomène déconcertant avait cependant été constaté dès 1998 dans les expériences de compression de plasma menées avec Z-machine. Ces expériences avait porté sur des montages variés. Dans l'un par exemple, quand la "cage à serin " implosait on envoyait un " gas puff ", une " bouffée de gaz " juste au centre, qui se trouvait alors comprimée. L'émission de rayons X permettait d'obtenir une mesure de la température électronique. Un plasma est un mélange "de deux espèces " : les ions, lourds et les électrons, légers. Dans un " plasma de fer ", dans du "fer ionisé" les noyaux de fer sont 50.000 fois plus lourds que les électrons ( les noyaux sont constitués de "nucléons" de masses très voisines : les protons et les électrons. Un électron est 1850 fois plus léger qu'un proton).

Un tube au néon contient également "ces deux espèces", les électrons et les ions de néon ( même si ceux-ci dans ce cas n'ont pas été complètement déshabillés de leur " cortège électronique " ). Quand le tube est en fonctionnement il contient un mélange " bitempérature " où les gaz constitué par les atomes, les ions de néon reste froid. ( vous pouvez toucher le tube avec la main ), mais où le "gaz d'électrons " est beaucoup plus chaud, porté à 10.000°. Pourquoi ne sentez vous pas cette chaleur à la main ? Parce les électrons, les pôvres, sont trop chichoux pour vous communiquer de l'énergie, de la chaleur. Par contre ils ont assez d'énergie pour exciter, par collisions, l'enduit fluorescent qui tapisse l'intérieur du tube. C'est la raison pour laquelle on les appelle des tubes fluorescents. La fluorescence est la capacité d'absorber du rayonnement et de les réemettre dans une autre fréquence. Ainsi la fluorescéine absorbe le rayonnement solaire et réemet dans le vert. Les chemises en nylon peuvent absorber du rayonnement ultra voilet et réemettre dans le visible ( c'est la "lumière noire" des boites de nuit branchées ) etc. Cet enduit blanc du tube au néon est bombardé par des électrons qui ont des énergies correspondant à la gamme de UV, mais en percutant les substances constituant l'enduit ils provoquent une réémission dans le visible. Cet enduit est composé de telle façon que lors de la réémission sa lumière soit la plus proche possible de la lumière visible. Mais ça n'est pas tout à fait le cas. C'est la raison pour laquelle la lumière des néons vous semble si " bizarre ".

Ce qu'il faut retenir c'est qu'il peut exister des milieux " bitempérature ". La raison de cette situation est que le champ électrique régnant dans le tube, lié à la mise en tension des électrodes communique prioritairement de l'énergie aux électrons, qui la rétrocèdent aux ions par collisions avec ceux-ci. Mais comme le transfert d'énergie entre gaz d'électrons et gaz d'ion est peu efficace on peut avoir un écart de température très important. Ceci est dû en particulier au fait que le milieu est raréfié. Si le tube fuit et que la pression s'accroît cette "situation hors d'équilibre" disparaît aussitôt. Fortement couplé aux ions, le gaz d'électrons se refroidit très rapidement. Alors ces électrons, moins "agités" ( la température absolue dans un gaz correspond au mouvement d'agitation thermique ) retournent sagement sur les atomes qui se désionisent, redeviennent neutres.

L'expérience de la Z-machine a conduit à une situation très curieuse. Il y a deux espèces en présence :

- Le gaz d'électrons

- Le gaz d'ions ( dans l'inox, essentiellement des noyaux de fer, chargés positivivement )

Quand les gens, depuis 1998, essayaient de rendre compte de leurs mesures ils n'avaient accès qu'à la température életronique, en effectuant des mesures sur les rayons X émis. Pourquoi le gaz d'électrons est-il dans ces expériences la principale source de ce rayonnement ? Parce qu'autour du plasma se trouve un champ magnétique très élevé. Quand les électrons, lancés à 40.000 km/s pénètrent dans cette régioin où règne ce champ magnétique intense ceci les fait spiraler. Alors ils " crient ", ils émettent un " rayonnement de freinage ". C'est en effectuant des mesures sur ces rayons X émis que les expérimentateurs ont mesuré la température de ce gaz d'électrons : 35 millions de degrés dans les expériences dont on rend compte dans le présent papier.

Mais à l'aide de formules ( la "formule de Bennett" ), s'ils tentaient d'évaluer la température que devaient avoir les ions fer pour contrebalancer l'énorme "pression magnétique", extérieure au plasma il leur fallait admettre que celle-ci devait avoir une valeur considérablement plus élevée. Dès 1998, quelles que soit les expériences faites cet écart des deux températures s'imposait comme une évidence. Il fallait ces fortes valeurs pour que le plasma ne soit pas instantanément écrasé par la pression magnétique. On voit que ceci suggérait un état hors d'équilibre ( à l'équilibre thermodynamique toutes les températures des espèces composant un mélange gazeux sont égales ) une situation bitempérature inverse de celle du tube au néon, où cette fois c'était le gaz d'ions qui se trouvait être plus chaud que le gaz d'électrons.

Pour tirer cela au clair les gens de la Z machine ont voulu effectuer des mesures. Primo ils ont mesuré le diamètre du cordon de plasma qui se formait en fin de compression. Ils ont même pu tracer une courbe avec sept points de mesure, donnant l'évolution de ce diamètre dans le temps. Une valeur minimale était atteinte, de 1,5 à 2 mm, puis ce cordon se mettait à se dilater.

Ils ont ensuite tenu absolument à obtenir des mesures de températures liés aux ions fer, et pour cela ils ont utilisé la classique méthode de l'évaluation de l'élargissement des raies spectrales. Les noyaux ( comme les atomes, les molécules ) émettent du rayonnement selon un certain spectre qui présente des raies caractéristiques.

Si le milieu est relativement froid ces raies sont minces.

graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Spectre d'émission de l'acier inoxydable "relativement froid ", porté à une température de 100.000° K
On identifie les raies du chrome ( les premières, à gauche) puis celles du manganèse, dur fer et du nickel.
Dans cet acier inox le carbone représent 0,15 % du mélange et ses raies ne sont pas visibles.

Leur élargissement est lié à l'effet Doppler-Fizeau.

graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Spectre de ce même matériau, porté à des milliards de degrés. L'effet Doppler a entraîné un élargissement des raies

La fréquence d'une raie serait plus élevée si l'atome s'approche de l'observateur et plus basse s'il s'en éloigne ( c'est alors du "redshift"). Ainsi l'agitation thermique élargit les raies. Les mesures, fiables, ont été effectuées et ont confirmé ces fortes valeurs de la température ionique, qui se chiffrent en milliards de degrés ( entre 2,66 et 3,7 milliards de degrés ! ).

graphique : http://www.jp-petit.com/science/Z-machi ... Haines.htm
Résultats de mai 2005 sur la Z-machine de Sandia.
En noir, la montée de la température ionique. En bleu le diamètre du plasma.
En abcisse : le temps en nanosecondes
( une nano seconde représente un milliardième de seconde )

Les ions arrivent ainsi à être cent fois plus chauds que les électrons. Jusqu'ici c'était la seule explication possible, mais cette fois cela a pu être mesuré, dans des expériences totalement reproductibles. Qui plus est cette tempétature ionique croît dans le temps. Enfin l'énergie émise par le gaz d'électrons, sous forme de rayonnement X s'est avéré être 3 à 4 fois supérieure à l'énergie cinétique que possédaient les tiges d'acier inox du "liner à fils" quand elles se sont trouvées rassemblées sur l'axe.

Haines et ses collaborateurs ont tenté dans le papier qui suit d'élucider ce mystère. D'où pouvait provenir cette énergie ?

Quand on met en marche la Z-machine l'énergie se distribue sous plusieurs formes différentes. Il y a l'énergie thermique du plasma, qui correspond à la somme des énergies cinétiques de ses composants ( principalement l'énergie cinétique des ions fer ). Mais il y a aussi une autre énergie, plus difficile à comprendre : l'énergie magnétique qui se trouve distribuée dans tout l'espace entourant le fin cordon de plasma formé sur l'axe. Haines a donc suggéré que des " instabilités MHD " puissent naître qui permettraient au plasma de récupérer une partie de cette énergie. Comme il en convient dans l'article, cette théorie est très embryonnaire et n'a donné lieu à aucune " simulation ". La conclusion est simplement "qu'il n'est pas impossible que cet échauffement soit dû à ce phénomène ". Il montre au passage le faible couplage collisionnel entre les électrons et les ions, qui explique le retard de l'émission des rayons X, dans le temps. Le phénomène échauffe d'abord les ions, qui retransmettent une partie de cette énergie au gaz d'électrons, lequel devient alors émissif ( par rayonnement de freinage ). Ceci étant les mesures ( quatre points ) montrent que le gaz d'ions fer continue de s'échauffer. Le maximum de température n'est visiblement pas atteint. Pourtant la température ( mesurée ) des ions fer atteint 3,7 milliards de degrés ! Trois cent soixante dis fois la température qu'Iter ne pourra jamais dépasser : 100 millions de degrés.

Deeney a dit que face à un tel résultat il avait refait n fois l'expérience et les mesures, pour être bien sûr. On notera que dans le titre de l'article il est écrit : " plus de deux milliards de degrés ". Logiquement les chercheurs auraient du mentionner la valeur maximale, de 3,7 milliards de degrés. Appelons cela un mouvement de ... timidité, face à l'énormité du résultat obtenu.

Il faut se rappeler qu'avec 500 millions de degrés on peut faire fusionner du Lithium et de l'hydrogène, en obtenant de l'hélium et pas de neutrons. Avec un milliard on a une seconde "fusion propre", toujours sans radioactivité ni déchets ( seulement de l'hélium ) : celle du Bore et de l'hydrogène. Que peut-on faire avec 3,7 milliards de degrés, voire plus ? Si la température des ions continue de croître il est logique de penser que des températures ioniques encore supérieures pourraient être atteintes.

Une remarque. Dans ces expériences l'intensité du courant électrique que débit la Z-machine ( de 18 à 20 millions de degrés ) ne peut se maintenir indéfiniment. C'est une décharge : cette intensité croît dans le temps, passe par un maximum, puis décroît. Dans la Z-machine le pulse dure 100 milliardièmes de seconde. Autre aspect : si Haines a raison, l'environnement magnétique du cordon de plasma contient une très importante énergie. Donc si on maintient le courant ce champ magnétique va continuer de "nourrir" le plasma en faisant monter la température ionique.Ainsi ces 3,7 milliards de degrés ne constituent pas un plafond et personne n'est à même de dire quelle température on pourrait atteindre avec ce dispositif.

La première retombée de telles expériences pourrait être la "fusion pure non-polluante", avec un mélange de lithium et d'hydrogène ( le lithium, présent dans l'eau de mer et dans les saumures se trouve dans toutes les régions du monde. Actuellement son prix est de 59 dollars le kilo, taxes compises ). C'est l'Age d'Or du point de vue de l'énergie ( avec en prime la bombe H à fusion pure, pas chère, pour tous ).

Comme la température dans une supernova est de dix milliards de degrés et que celle-ci, par des réactions de fusion, parvient à créer tous les atomes de la table de Mendeliev ( et leurs isotopes radioactifs à durées de vies plus ou moins importantes ) si une Z-machine "gonflée" parvient un jour à réaliser 10 milliards de degrés on aura réalisé en laboratoire les plus fortes températures que la Nature soit capable de réaliser dans le comos. Ce bond en avant représente donc un changement drastique en matière de physique nucléaire et de notre physique en général.

Jusqu'ici on s'était contenté de "braises". Ce pas représente vraiment l'invention du feu nucléaire

toto · Message par **toto** » 26 juin 2006, 13:53

Autrement dit, ce ne sont que des balbutiements de laboratoire.
Ces balbutiements n'ont été possibles que parce qu'on a du pétrole aujourd'hui. Il faudrait peut-être se dépécher pour conclure, le réservoir se vide.

Si demain on retourne à l'âge de Pierre, ce sera bien de la faute des scientifiques qui se la coule douce au lieu de se mettre au boulot. Gilles, travaille un peu, fainéant!

Message par **Tiennel** » 26 juin 2006, 13:57

JPP a écrit :A moins que je ne me sois trompé dans mes calculs, que se passe-t-il quand on crée quelque part une pression de près d'un gigabar ? ....

Ben... boum !

thorgal · Message par **thorgal** » 26 juin 2006, 19:23

@Huile de Roche,

j'ai parcouru rapido l'article. C'est assez au-dessus ou en dehors de mes competences, mais en gros, c'est une approche theorique permettant d'expliquer le chemilleblique (temperature des ions ferriques vs temperature du gas d'electrons, l'approche theorique fait intervenir des concepts de MHD amis des ETs, bonsoir ... ). Mais sans simulation, peuvent pas dire grand-chose pour l'instant, enfin si, mais ce n'est pas confronte aux resultats experimentaux.

Juste une remarque sur ton post : tu ne fais que souligner l'evidence, c-a-d qu'a partir d'une certaine temperature, tu peux allumer certaines reactions de fusions. Tout le monde le sait. Ce qui serait bien plus interessant, ce serait de savoir maintenir la reaction (cf. critere de Lawson dont on a cause un peu) tout en gardant un rendement interessant. Et ca, c'est pas encore tres explicite dans tout ce qu'on peut lire ici et la ... on parle d'Age D'Or de l'energie, certes, mais pas vraiment comment mettre en place sa logisitique ...

TDL · Message par **TDL** » 26 juin 2006, 21:49

Bonsoir ,

J'ai la même lecture que Thorgal. Tout seemble tourner autour de ce fameux critère mais je ne parviens pas encore à savoir son champ d'application réel.

A la prochaine.

TDL · Message par **TDL** » 26 juin 2006, 22:31

Juste un petit truc Hors sujet

sur la bombe H pour tous... çà me rappelle un bouquin de Barjavel intitulé "Une Rose au Paradis".

La Bombe U pour Universelle. Si peu chère à fabriquer que tout le monde en a. Même la CGT!

On a découvert tardivement une des caractèristiques de cette bombe qui est assez ennuyeuse... Il suffit que l'une d'entre elle pète pour que les autres bombes U dans un rayon de ? pètent elles aussi. Aucun blindage de plomb ou de quoi que ce soit ne suffit à protéger une bombe de l'explosion de sa voisine. Tôt ou tard tout va pèter et la terre entière sera vitrifiée. Alors ...

Je vous laisse lire la suite de la main du maître disparu.
Excusez moi de cet Hors sujet.

GillesH38 · Message par **GillesH38** » 26 juin 2006, 22:41

toto a écrit :Si demain on retourne à l'âge de Pierre, ce sera bien de la faute des scientifiques qui se la coule douce au lieu de se mettre au boulot. Gilles, travaille un peu, fainéant!

moi , j'etais fait pour vivre a la Renaissance, ou on se preoccupait juste du mouvement des planètes ...

"La physique, c'est un peu comme le sexe : ca peut donner des résultats concrets, mais ce n'est pas la raison principale pour laquelle on les pratique" R. Feynman

Huile de Roche · Message par **Huile de Roche** » 27 juin 2006, 09:34

Une chose est sure qui ressort de tout cela, une découverte fondamentale a été faite, le hasard fait parfois bien les choses. Maintenant il faut que les scientifiques "ceux du civil" soient autant motivés que les militaires pour nous pondre quelque chose de viable.

"I have had people working nights and weekends," said Joseph Martz, head of the Los Alamos design team. "I have to tell them to go home. I can't keep them out of the office. This is a chance to exercise skills that we have not had a chance to use for 20 years."

trad - " J'ai des chercheurs qui travaillent le jour, la nuit et les weekd-ends" dit Joseph Martz, directeur du service de conception des armes nucléaires à Los Alamos."Je dois les convaincre de rentrer chez eux. Je n'arrive pas à leur faire quitter leurs bureaux. Nous avons enfin l'occasion de remettre en oeuvre un savoir-faire que nous n'avons pas utilisé depuis vingt ans. "

"A thousand miles away at Livermore, Bruce Goodwin, associate director for nuclear weapons, described a similar picture: The lab is running supercomputer simulations around the clock, and teams of scientific experts working on all phases of the project "are extremely excited."

trad - "A mille miles de là, au laboratoire de Livermore Bruce Goldwin, directeur du département des armes nucléaires évoque un climat similaire. Le laboratoire fait tourner à plein temps les ordinateurs sur des simulations et les experts travaillant sur les différentes phases du projet sont "extrêmement excités"

Pura Vida · Message par **Pura Vida** » 27 juin 2006, 10:38

À Huile de Roche,

Cette lecture, que je rcommencerai, montrerait que l'on n'a pas, et de loin, fait "tout" l'inventaire de l'électromagnétisme, puisqu'ici, on reste, si j'ai bien suivi (du moins le mieux possible) en dessous de la force nucléaire forte. Ce serait formidable si l'on pouvait tirer de l'énergie à ce niveau-là, adieu les déchets dangereux à long terme! Un autre civilisation s'ouvrirait....
Bravo, et merci d'avoir apporté ces développements, affaire à suivre!
Pura Vida

Message par **Tiennel** » 27 juin 2006, 13:22

Vous êtes mignons tous les deux !

Face à une chaîne de montage de bombes au napalm, vous vous exclameriez, enthousiastes : "Fabuleux ! Si c'était des boîtes de conserve qui sortaient de la chaîne, on éradiquerait la faim dans le monde" ?

Pura Vida · Message par **Pura Vida** » 27 juin 2006, 14:32

À Tiennel,

En effet! D'ailleurs je crois fermement que les bébés sont trouvés dans les choux-fleurs. Je n'ai aucun mérite à recopier dans le dictionnaire encyclopédique Larousse ceci, ci-dessous, qui doit correspondre, si je comprends bien, à Huile de Roche et à moi (mais ne connaissant pas l'avis de Huile de Roche, je parle en mon nom propre uniquement):

"Bouvard et Pécuchet, roman de Flaubert (1881). Roman "philosophique" formant le pendant de : la Tentation de saint Antoine, et dont le sous-titre devait être: "du défaut de méthode dans les sciences". Deux gratte-papier font connaissance sur un banc et décident de vivre ensembles : ils s'essaient successivement à l'agriculture, à la chimie, à l'archéologie, à la littérature, à la philosophie, à la politique, etc., y échouent pareillement et se remettent à "copier". Mais Flaubert a doté ses deux anti-héros de sa propre faculté obsessionnelle "de voir la bêtise et de ne plus la tolérer". La satire porte donc moins sur la science et son avenir (contre les certitudes naïves d'un Renan ou d'un Taine) que sur l'idée qu'on s'en fait ou, plutôt, qu'on en reçoit. Les deux amis vont donc "copier" le sottisier patiemment réuni par Flaubert tout au long de sa vie, ce "dictionnaire des idées reçues" qui joue le rôle de la croix ou du crâne sur lequel l'ermite du désert fait porter sa méditation."
Pura Vida

Huile de Roche · Message par **Huile de Roche** » 28 juin 2006, 08:44

juste une petite remarque tiennel, le nucléaire civil d'aujourd'hui on sait d'où ça vient... n'est ce pas ? de l'invention de la bombe A (de la nécessité d'enrichir et produire de l'uranium).

De plus je te trouve limite médisant, loin de moi l'idée de me réjouir d'une telle découverte qui de plus, est au mains de militaires mais j'espère que l'histoire se répètera (de la même manière que la bombe A hors Hiroshima et Nagasaky bien sure) et que cela basculera dans le civil...

C'est tout ce que l'on peut espérer. Quoi que avec des bombes sans limite de taille inférieure et sans radiation... enfin bref...

En science, l'homme a une facheuse tendance, dans un premier temps, à détourner certaines découvertes pour servir des intérêts militaires.

Nous n'avons pas le choix et nous faisons avec. L'espoir d'une bascule dans le civil, moi ça me branche bien.

TDL · Message par **TDL** » 28 juin 2006, 09:18

Tiennel a écrit :Vous êtes mignons tous les deux !

Face à une chaîne de montage de bombes au napalm, vous vous exclameriez, enthousiastes : "Fabuleux ! Si c'était des boîtes de conserve qui sortaient de la chaîne, on éradiquerait la faim dans le monde" ?

Humour noir: D'ailleurs même si c'est pas des boites de conserve, même si c'est du Napalm AOC on peut aussi éradiquer la faim dans le monde avec.

Message par **Tiennel** » 28 juin 2006, 09:22

Disons que je fais peu de crédit d'intention à ce type de recherches militaires pour avoir des retombées civiles retentissantes. Comme tu le soulignes, le nucléaire civil a pu se développer grâce à la disponibilité d'une filière d'enrichissement de l'uranium construite pour alimenter la bombe A, mais il y a très peu de transfert de technologie entre la bombe et un réacteur civil : pour faire un parallèle, je dirai qu'on ne peut pas construire une centrale électrique au fioul à partir de la technologie de la bombe au napalm, même si cette dernière a besoin de raffineries elle aussi pour s'alimenter en combustible !

mariner valley · Message par **mariner valley** » 09 juil. 2006, 15:19

le but n'est pas de savoir si la Z-machine marchera ou pas, le tuc c'est d'au moins d'etudie le systeme en europe vue que visiblement tout le monde s'en fou sauf les americains