Physiciens travaillant dans une installation de fusion laser aux États-Unis ont annoncé une première mondiale – la génération de plus d'énergie à partir d'une réaction de fusion nucléaire contrôlée qu'il n'en fallait pour alimenter la réaction. Ils y sont parvenus en utilisant les 3.5 milliards de dollars Installation nationale d'allumage (NIF) - un système de lasers de la taille d'un stade de football basé au Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL) in California. The laser shot, performed on 5 December, released 3.15 million Joules (MJ) of energy from a tiny pellet containing two hydrogen isotopes – compared to the 2.05 MJ that those lasers delivered to the target.
Speaking yesterday at a press conference in Washington D.C. organised by the Ministère de l'Énergie pour annoncer la réalisation, Mark Herrmann, responsable de la physique et de la conception des armes au LLNL, a noté que la percée avait une double importance. Alors qu'elle devrait améliorer dans l'immédiat la capacité des États-Unis à surveiller leur stock d'armes nucléaires sans essais – l'objectif principal du NIF – elle pourrait, à plus long terme, conduire à une nouvelle forme d'énergie propre et durable. Le résultat, a-t-il dit, avait laissé ses collègues "vraiment pompés".
Pour Michael Campbell de l'Université de Rochester aux États-Unis, le dépassement du « seuil de rentabilité énergétique » – un objectif des scientifiques depuis des décennies – constitue un « moment des frères Wright » pour la recherche sur la fusion. Steven Rose de l'Imperial College de Londres affirme que le résultat "montre de manière concluante que la fusion inertielle fonctionne à l'échelle du mégajoule".
'Quelquechose d'énorme'
Le NIF déclenche des réactions de fusion en dirigeant près de 200 faisceaux laser de haute puissance à l'intérieur d'un cylindre métallique creux de 1 cm de long. Les rayons X intenses générés lors du processus convergent vers une capsule sphérique de 2 mm de diamètre placée au milieu du cylindre qui contient du deutérium et du tritium. Lorsque la partie extérieure de la capsule est dynamitée, le deutérium et le tritium sont forcés vers l'intérieur et subissent pendant un bref instant des pressions et des températures énormes - suffisamment élevées pour que les noyaux surmontent leur répulsion mutuelle et fusionnent, produisant de la chaleur, des noyaux d'hélium et des neutrons.
Après avoir activé le NIF en 2009, les chercheurs avaient initialement envisagé d'atteindre le seuil de rentabilité (ou «l'allumage», comme on appelle souvent le jalon) trois ans plus tard. Mais les problèmes causés par les instabilités du plasma généré pendant la fusion et les asymétries dans les implosions de la capsule ont limité la production de fusion de l'installation.
Cela a été une corvée de 10 ans de résolution de problèmes par étapes pour arriver à ce point
Ouragan Omar
Il a fallu attendre le début de 2021 pour que les scientifiques comprennent suffisamment les implosions pour pouvoir créer un "plasma brûlant" et générer plus de chaleur à partir des noyaux d'hélium que celle fournie par le laser. Plus tard cette année-là, ils ont finalement obtenu une réaction de fusion auto-entretenue dans laquelle la chaleur générée a dépassé les pertes dues au refroidissement - atteignant un rendement énergétique de 1.37 MJ.
La physicienne du LLNL, Annie Kritcher, explique que le dernier résultat a été obtenu en augmentant légèrement l'énergie du laser – environ 8 % de plus par rapport aux 1.92 MJ utilisés l'année dernière – tout en rendant les capsules un peu plus épaisses, et donc légèrement plus résistantes aux défauts. De plus, ils ont amélioré la symétrie d'implosion en transférant de l'énergie entre les faisceaux laser pendant le processus de fusion.
Le collègue de Kritcher, Alex Zylstra, a noté que le tir record a été réalisé juste après 1 heure du matin, heure locale, le 5 décembre. Le tir a généré de grandes quantités de neutrons, suggérant que "quelque chose de grand s'était produit", comme l'a dit le directeur du laboratoire Kim Budil. Néanmoins, ajoute Budil, de nombreuses autres mesures ont été effectuées pour confirmer le transport sans précédent, une équipe d'experts indépendants ayant été amenée à examiner les résultats par des pairs avant qu'ils ne soient annoncés hier.
Un "slog" d'une décennie
Selon Omar Hurricane, scientifique en chef du programme de fusion de Livermore, il ne faisait aucun doute que le seuil de rentabilité serait atteint compte tenu de l'observation d'un plasma brûlant il y a quelques années. La seule question pour lui était exactement quand le point de repère se produirait. "Cela a été une corvée de 10 ans de résolution de problèmes par étapes pour arriver à ce point", a-t-il déclaré. Monde de la physique. "Dix ans semblent longs, mais en réalité, je pense que c'est relativement court pour un défi scientifique aussi difficile."
Le jalon de la fusion laser de la National Ignition Facility suscite le débat
Quant à savoir où le dernier résultat laisse la fusion inertielle par rapport à un système concurrent qui repose sur des aimants pour contenir le plasma pendant des périodes de temps relativement longues (comme cela sera exploité à ITER en France), Tammy Ma de Livermore dit que les deux approches ont leurs "avantages et les inconvénients". Alors que le confinement magnétique n'a pas encore atteint le seuil de rentabilité, elle dit qu'il est plus avancé en matière de développement technologique. En effet, elle souligne que le NIF n'a pas été conçu pour démontrer l'énergie de fusion pratique - consommant quelque 300 MJ d'électricité pour chaque tir laser de 2 MJ.
Ma et Campbell pensent qu'il y a beaucoup de place à l'amélioration. Alors que la technologie des années 1990 du NIF n'est efficace qu'à 0.5 %, Campbell affirme que les lasers modernes peuvent atteindre 20 %. Combinée à d'autres améliorations du gain d'énergie sur la cible, il soutient que la fusion inertielle pourrait devenir une réalité commerciale. Mais il estime que ce point est encore probablement dans des décennies et que "de nombreux défis" doivent d'abord être surmontés.
