L'étape d'allumage du National Ignition Facility donne un nouvel élan à la fusion laser

Pendant plus d'une décennie, les physiciens du Laboratoire national Lawrence Livermore en Californie ont tenté de faire quelque chose dans le laboratoire qui ne s'était jamais produit auparavant qu'à l'intérieur des ogives de bombes à hydrogène. Leur objectif a été d'utiliser des impulsions lumineuses intenses du plus grand laser du monde - le 3.5 milliards de dollars Installation nationale d'allumage (NIF) - pour écraser de minuscules capsules d'hydrogène de sorte que les températures et les pressions exceptionnelles qui y sont créées produisent des réactions de fusion produisant de l'énergie. Jusqu'à la fin de l'année dernière, une série de déboires techniques les avait empêchés d'atteindre leur objectif, connu sous le nom d'allumage. Mais juste après 1 h du matin le 5 décembre, une rafale de neutrons plus importante que d'habitude dans les détecteurs entourant le foyer du laser succès signalé – les réactions ayant produit dans ce cas plus de 1.5 fois l'énergie qu'elles ont consommée.

L'exploit a fait la une des journaux du monde entier et a stimulé l'imagination du public, des politiciens et des experts de la fusion. La secrétaire américaine à l'énergie, Jennifer Granholm, a salué la "réalisation historique", tandis que Michael Campbell de l'Université de Rochester aux États-Unis a décrit le résultat comme un «moment Wright Brothers» pour la recherche sur la fusion. Pour Steven Rose de l'Imperial College de Londres, l'annonce lève tout doute persistant quant à la possibilité d'atteindre des énergies de fusion aussi élevées. "Si vous n'obtenez pas un gain d'énergie supérieur à un, les gens pourraient prétendre que vous ne pourrez jamais l'atteindre", dit-il.

Le résultat a renouvelé l'optimisme selon lequel la fusion pourrait enfin permettre une nouvelle source d'énergie propre, sûre, sécurisée et durable. Aujourd'hui, les gouvernements et en particulier les entreprises privées cherchent à exploiter l'énorme potentiel de l'énergie de fusion - certaines entreprises promettant même qu'elles fourniront de l'électricité au réseau à partir de centrales électriques pilotes au début de la prochaine décennie.

Certains scientifiques estiment cependant que de tels délais sont irréalistes, compte tenu des énormes obstacles techniques qui subsistent sur la voie de l'énergie de fusion. D'autres soutiennent qu'un horizon temporel de 10 à 15 ans est faisable, tant que les chercheurs et leurs bailleurs de fonds adoptent le bon état d'esprit. Pour Troy Carter à l'Université de Californie, Los Angeles, cela signifie mettre fin à la dépendance à l'égard de grandes installations coûteuses et centralisées telles que le NIF de la taille d'un stade de football et se tourner plutôt vers des projets plus petits et moins chers menés par le secteur privé plus tolérant au risque. « Nous devons changer notre façon de faire des affaires », dit-il.

Enfin sur la cible

Pour capter l'énergie dégagée lors de la fusion des noyaux légers, le combustible nucléaire doit être maintenu sous forme de plasma à des températures de l'ordre de 100 millions de kelvins. Une façon de faire est de confiner le plasma dans un champ magnétique pendant des périodes de temps assez longues tout en le chauffant avec des ondes radio ou des faisceaux de particules. Jusqu'à présent, un tel «confinement magnétique» a été la voie préférée des physiciens vers l'énergie de fusion. Cela sera utilisé à la fois dans les réacteurs publics et privés les plus chers au monde : les 20 milliards de dollars et plus ITER usine en construction dans le sud de la France et une machine construite par l'entreprise Systèmes de fusion du Commonwealth en dehors de Boston, aux États-Unis, qui a jusqu'à présent levé au moins 2 milliards de dollars de financement.

Plutôt que de tenter d'obtenir un état d'équilibre, les réacteurs de «confinement inertiel» fonctionnent un peu comme un moteur à combustion interne - générant de l'énergie grâce à un cycle répétitif d'explosions qui créent de manière fugitive des températures et des pressions énormes. Pour ce faire, le NIF amplifie et focalise 192 faisceaux laser sur un minuscule cylindre métallique creux au centre duquel se trouve une capsule de la taille d'un grain de poivre contenant les isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. Les rayons X générés par les parois du cylindre font exploser la surface extérieure de la capsule, forçant le reste de celle-ci vers l'intérieur grâce à la conservation de l'impulsion et provoquant la fusion des noyaux de deutérium et de tritium à l'intérieur - libérant ainsi des particules alpha (noyaux d'hélium ), des neutrons et beaucoup d'énergie.

Ce processus est extrêmement exigeant, nécessitant une focalisation de faisceau exceptionnellement précise et des capsules ultra-lisses pour assurer les implosions presque parfaitement symétriques nécessaires à la fusion. En effet, les instabilités du plasma créées par les implosions et les défauts des capsules, entre autres, signifiaient que les chercheurs de Livermore étaient bien en deçà de leur objectif initial d'allumage (ou "seuil de rentabilité") en 2012. Mais grâce à une série de mesures minutieuses sur des tirs laser successifs, ils ont pu affiner progressivement leur configuration expérimentale et finalement tirer le tir historique - produisant 3.15 millions de joules (MJ) d'énergie de fusion après avoir fourni 2.05 MJ d'énergie laser à la cible.

Omar Hurricane, scientifique en chef du programme de fusion par confinement inertiel de Livermore, a déclaré qu'ils prévoyaient désormais de "reprioriser" leur travail pour obtenir des gains plus élevés et reproductibles en augmentant l'énergie laser du NIF par étapes d'environ 0.2 MJ. Ils ont également l'intention d'étudier l'effet de la variation de l'épaisseur du combustible nucléaire à l'intérieur des capsules et de la réduction de la taille des trous d'entrée du laser du cylindre. Cependant, il souligne que le NIF n'a jamais été conçu pour démontrer l'énergie de fusion pratique - étant donné que l'objectif principal de l'installation est de fournir des données expérimentales pour soutenir le stock d'armes nucléaires des États-Unis (qui n'est plus testé). En tant que tel, le NIF est extrêmement inefficace - son laser pompé par lampe flash de 2 MJ nécessitant environ 400 MJ d'énergie électrique, ce qui équivaut à une efficacité «prise murale» de seulement 0.5%.

National Ignition Facility démontre un gain net d'énergie de fusion en première mondiale

Riccardo Betti de l'Université de Rochester dit que les lasers modernes pompés par des diodes pourraient atteindre des rendements aussi élevés que 20 %, mais souligne que les marges requises pour les centrales électriques (y compris l'énergie perdue lors de la conversion de la chaleur en électricité) signifient que même ces appareils auront besoin de gains cibles d'"au moins 50- 100" (comparé au NIF 1.5). Ils devront également « tirer » plusieurs fois par seconde, alors que le NIF ne génère qu'un tir environ une fois par jour. Ce taux de répétition élevé nécessiterait des cibles produites en série coûtant au plus quelques dizaines de centimes, par rapport aux centaines de milliers de dollars nécessaires pour celles du NIF (qui sont en or et en diamant synthétique).

Entrer sur le marché

Une entreprise qui croit pouvoir commercialiser l'énergie de fusion malgré tous les obstacles est une entreprise basée en Californie Systèmes d'énergie de fusion Longview. Créé en 2021 par plusieurs anciens scientifiques de Livermore, dont l'ancien directeur du NIF Edward Moses, Longview vise à combiner la conception de la cible du NIF avec des lasers à semi-conducteurs pompés par diode. La société a annoncé son existence le jour même où Livermore a rapporté le coup record du NIF, affirmant qu'elle prévoyait de commencer à construire une centrale électrique pilote dans les cinq prochaines années.

Longview dit avoir l'intention de fournir 50 MW d'électricité au réseau d'ici 2035 au plus tard. La société reconnaît que cela ne sera pas facile, envisageant une efficacité laser et un taux de répétition de 18 % et 10-20 Hz respectivement. En particulier, il indique que si les diodes nécessaires existent déjà, elles "n'ont pas encore été intégrées dans une ligne de faisceau intégrée pour un laser à fusion". Mais il reste confiant qu'il pourra respecter son échéance, notant que le laser est à un facteur de deux du seuil de dommage optique nécessaire pour l'usine pilote.

Tout le monde n'est pas convaincu. Stephen Bodner, ancien responsable du programme de fusion laser au US Naval Research Laboratory à Washington DC, soutient que la technologie « d'entraînement indirect » du NIF gaspille trop d'énergie pour générer des rayons X (plutôt que d'éclairer directement les capsules de carburant). Il est également sceptique quant à l'affirmation de Longview selon laquelle il peut réduire le coût cible à moins de 0.30 $ en répartissant les dépenses considérables d'ingénierie et d'investissement sur les 500 millions d'objectifs dont il dit avoir besoin pour son usine pilote. "Il n'y a aucun moyen possible pour une cible de fusion comme celle utilisée sur NIF d'être suffisamment améliorée pour l'énergie de fusion commerciale", dit-il.

Le jalon de la fusion laser de la National Ignition Facility suscite le débat

Pourtant, Longview est loin d'être le seul à croire qu'il dispose de la technologie nécessaire pour apporter l'énergie de fusion au monde. Un rapport rédigé l'année dernière par le Association de l'industrie de la fusion L'organisme commercial répertorie 33 entreprises aux États-Unis et ailleurs comme travaillant sur la technologie de fusion - dont beaucoup ont également des délais agressifs pour le développement de centrales électriques. Une telle entreprise est First Light, basé près d'Oxford, au Royaume-Uni. Plutôt que d'utiliser des impulsions laser pour comprimer les capsules de carburant, First Light lance à la place des projectiles matériels - des morceaux de métal en forme de timbre-poste - à des vitesses extrêmement élevées en utilisant la force électromagnétique fournie par une énorme batterie de condensateurs qui se déchargent tous presque instantanément. Les projectiles frappent des cibles spécialement conçues, chacune d'elles dirigeant et augmentant la pression d'impact sur une capsule de carburant intégrée à l'intérieur.

La société a jusqu'à présent levé quelque 80 millions de livres sterling de financement et fait la démonstration de la fusion en utilisant la plus grande installation à énergie pulsée d'Europe. Les prochaines étapes, selon le co-fondateur et directeur général Nicholas Hawker, consisteront à démontrer l'allumage avec une machine beaucoup plus grande dans environ cinq ans, puis une usine pilote du « début au milieu des années 2030 ». Hawker admet que de nombreux défis l'attendent – ​​comme pouvoir charger des projectiles les uns après les autres et développer des interrupteurs haute tension suffisamment robustes – mais il est convaincu que la physique du schéma est solide. "La capsule de carburant est exactement la même que celle du NIF, donc le résultat récent réduit également massivement les risques de notre système." 

Espèces nécessaires

En physique, Betti estime que la fusion par confinement inertiel est mieux placée que le confinement magnétique. Alors que le NIF a maintenant démontré que le premier peut générer des réactions auto-entretenues, il soutient que les instabilités générées près du seuil d'inflammation signifient qu'il existe encore de grandes incertitudes quant à savoir si les tokamaks peuvent suivre le mouvement. Néanmoins, il dit que les deux formes de fusion doivent surmonter des obstacles redoutables si elles veulent produire une énergie économiquement compétitive – y compris la démonstration des gains élevés des cibles produites en série en matière de fusion laser. "J'ai du mal à croire qu'un système énergétique puisse être prêt en 10 ans", dit-il.

Les scientifiques du NIF ont fait un travail superbe au cours de la dernière décennie en résolvant des problèmes de physique très difficiles. Ils devraient être reconnus pour leur excellent travail

Stephen Bodner

Carter est plus optimiste. Il soutient que des usines pilotes pourraient être réalisées dans une dizaine d'années, à condition que des entreprises privées mènent la charge dans leur construction tandis que les gouvernements soutiennent des recherches de base plus fondamentales telles que celles sur les matériaux résistants aux radiations. Mais il prévient que le financement nécessaire sera considérable – environ 500 millions de dollars supplémentaires par an dans le cas du gouvernement américain. Si l'argent arrive, ajoute-t-il, les usines commerciales à grande échelle pourraient alors démarrer "avant 2050".

Quant à la technologie qui se retrouvera dans les usines, Bodner insiste sur le fait qu'elle ne sera pas basée sur un entraînement indirect. Selon lui, il s'agira très probablement d'un confinement inertiel basé sur un autre type de système laser, comme les lasers à gaz argon-fluorure. Mais il reconnaît que la mise à l'échelle de tout système entraîne des incertitudes. Et il félicite les scientifiques du NIF d'avoir mené la recherche sur la fusion à ce point. "Ils ont fait un travail superbe au cours de la dernière décennie en résolvant des problèmes de physique très difficiles", dit-il. "Ils devraient être reconnus pour leur excellent travail."

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• La source: https://physicsworld.com/a/national-ignition-facilitys-ignition-milestone-sparks-fresh-push-for-laser-fusion/