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

Le 8 août dernier, des physiciens du laboratoire national Lawrence Livermore, aux États-Unis, ont utilisé le plus grand laser du monde pour réaliser une expérience record. Utilisant les 192 poutres des 3.5 milliards de dollars Installation nationale d'allumage (NIF) pour imploser une capsule de la taille d'un grain de poivre contenant du deutérium et du tritium, ils ont provoqué la fusion des deux isotopes de l'hydrogène, générant une réaction de fusion auto-entretenue pendant une fraction de seconde. Le processus dégageant plus de 70 % de l’énergie utilisée pour alimenter le laser, les résultats suggèrent que les lasers géants pourraient encore constituer une nouvelle source d’énergie sûre, propre et essentiellement illimitée.

Le résultat a mis les chercheurs du laboratoire de Livermore dans une ambiance de célébration, après avoir lutté pendant plus d'une décennie pour réaliser des progrès significatifs. Mais l’enthousiasme initial s’est vite estompé lorsque plusieurs tentatives ultérieures visant à reproduire cet exploit ont échoué – rassemblant au mieux seulement la moitié de la production record. La direction de Livermore ayant décidé de n'essayer qu'une poignée d'expériences répétées, le laboratoire a suspendu sa quête du seuil de rentabilité et a plutôt essayé de comprendre la cause de la variation de la production.

Pour les critiques du NIF, le dernier changement de cap n’est pas une surprise, illustrant apparemment une fois de plus l’inaptitude de l’installation en tant que banc d’essai pour une production robuste d’énergie de fusion. Mais de nombreux scientifiques restent optimistes et les chercheurs du NIF eux-mêmes se sont battus, publiant récemment le résultat de leur tir record dans Physical Review Letters (129 075001). Ils insistent sur le fait qu’ils ont, après tout, atteint « l’allumage », atteignant le point auquel l’échauffement dû aux réactions de fusion l’emporte sur le refroidissement, créant ainsi une boucle de rétroaction positive qui augmente rapidement la température du plasma.

Omar Hurricane, scientifique en chef du programme de fusion de Livermore, maintient que cette définition de l'allumage basée sur la physique – plutôt que la simple description du « seuil de rentabilité énergétique » – est celle qui compte vraiment. Qualifiant l'atteinte éventuelle du seuil de rentabilité comme « le prochain événement de relations publiques », il affirme néanmoins qu'il s'agit d'une étape importante que lui et ses collègues souhaitent atteindre. En effet, les physiciens extérieurs au laboratoire de Livermore sont convaincus que l’objectif tant discuté sera atteint. Steven Rose à l'Imperial College au Royaume-Uni estime qu'« il y a toutes les chances » que le seuil de rentabilité soit atteint.

Gain record

Tenter d’exploiter la fusion implique de chauffer un plasma de noyaux légers jusqu’au point où ces noyaux surmontent leur répulsion mutuelle et se combinent pour former un élément plus lourd. Le processus produit de nouvelles particules – dans le cas du deutérium et du tritium, des noyaux d’hélium (particules alpha) et des neutrons – ainsi que d’énormes quantités d’énergie. Si le plasma peut être maintenu suffisamment longtemps à des températures et des pressions suffisamment élevées, les particules alpha devraient fournir suffisamment de chaleur pour entretenir les réactions par elles-mêmes, tandis que les neutrons pourraient potentiellement être interceptés pour alimenter une turbine à vapeur.

Les tokamaks à fusion utilisent des champs magnétiques pour confiner les plasmas sur des durées assez longues. Le NIF, en tant que dispositif de « confinement inertiel », exploite les conditions extrêmes créées pendant un instant éphémère à l’intérieur d’une infime quantité de combustible de fusion hautement comprimé avant sa nouvelle expansion. Le combustible est placé à l'intérieur d'une capsule sphérique de 2 mm de diamètre, située au centre d'un « hohlraum » métallique cylindrique d'environ 1 cm de long et implose lorsque les faisceaux laser précisément dirigés du NIF frappent l'intérieur du hohlraum et génèrent un flot de Rayons X.

Contrairement aux tokamaks, le NIF n'a pas été conçu principalement pour démontrer l'énergie, mais plutôt pour vérifier les programmes informatiques utilisés pour simuler des explosions d'armes nucléaires – étant donné que les États-Unis ont cessé les essais réels en 1992. Cependant, après avoir été activé en 2009, il a rapidement Il est devenu évident que les programmes utilisés pour guider ses propres opérations avaient sous-estimé les difficultés impliquées, en particulier lorsqu'il s'agissait de gérer les instabilités du plasma et de créer des implosions suffisamment symétriques. Le NIF n’ayant pas atteint son objectif initial de parvenir à l’allumage d’ici 2012, l’Administration nationale de sécurité nucléaire des États-Unis, qui supervise le laboratoire, a mis cet objectif de côté pour se concentrer sur la tâche fastidieuse consistant à mieux comprendre la dynamique de l’implosion.

Début 2021, après une série de modifications expérimentales, Hurricane et ses collègues ont finalement montré qu’ils pouvaient utiliser le laser pour créer ce que l’on appelle un plasma brûlant – dans lequel la chaleur des particules alpha dépasse l’approvisionnement en énergie externe. Ils ont ensuite apporté une série d'ajustements supplémentaires, notamment en réduisant les trous d'entrée du laser du hohlraum et en abaissant la puissance maximale du laser. L’effet était de déplacer une partie de l’énergie des rayons X plus tard dans le tir, ce qui augmentait la puissance transférée au combustible nucléaire – la poussant suffisamment haut pour dépasser les pertes radiatives et conductrices.

En août 2021, les chercheurs du NIF ont enregistré leur photo historique « N210808 ». Le point chaud au centre du combustible avait dans ce cas une température d’environ 125 millions de kelvins et un rendement énergétique de 1.37 MJ – soit huit fois plus élevé que leur précédent meilleur résultat, obtenu plus tôt dans l’année. Ce nouveau rendement impliquait un « gain cible » de 0.72 – par rapport à la puissance de sortie du laser de 1.97 MJ – et un « gain de capsule » de 5.8 si l'on considère plutôt l'énergie absorbée par la capsule. 

Plus important encore, en ce qui concerne l'ouragan, l'expérience a également satisfait à ce que l'on appelle le critère d'inflammation de Lawson. Élaboré pour la première fois par l'ingénieur et physicien John Lawson en 1955, ce principe stipule les conditions dans lesquelles l'auto-échauffement de la fusion dépassera l'énergie perdue par conduction et par rayonnement. Hurricane affirme que les résultats du NIF satisfaisaient neuf formulations différentes du critère de fusion par confinement inertiel, démontrant ainsi l'allumage « sans ambiguïté ».

Trois coups et tu es dehors

Après ce tir record, Hurricane et certains de ses collègues scientifiques du NIF étaient désireux de reproduire leur succès. Mais la direction du laboratoire n'était pas aussi enthousiaste. Selon Marc Herrmann, alors directeur adjoint de Livermore pour la physique fondamentale des armes, plusieurs groupes de travail ont été mis en place dans la foulée du N210808 pour évaluer les prochaines étapes. Il précise qu'une équipe de direction composée d'une dizaine d'experts en confinement inertiel a rassemblé ces résultats et élaboré un plan, qu'elle a présenté en septembre.

Herrmann dit que le plan contenait trois parties : tenter de reproduire N210808 ; analyser les conditions expérimentales qui ont permis le tir record ; et essayer d’obtenir des « rendements robustes en mégajoules ». La discussion sur le premier point a impliqué ce que Herrmann décrit comme « une grande variété d’opinions » parmi la centaine de scientifiques travaillant sur le programme de fusion. Au final, compte tenu des « ressources limitées » et du nombre limité de cibles dans le lot contenant le N100, il affirme que l'équipe de direction s'est contentée de trois tirs supplémentaires.

Hurricane a un souvenir légèrement différent, affirmant qu'il y a eu quatre répétitions. Ces expériences, dit-il, ont été menées sur une période d'environ trois mois et ont permis d'obtenir des rendements compris entre moins d'un cinquième et environ la moitié de ceux atteints en août. Mais il maintient que ces clichés étaient quand même de « très bonnes expériences », ajoutant qu'ils satisfaisaient également à certaines formulations du critère de Lawson. La différence de performance, dit-il, n’est « pas aussi binaire que les gens le décrivent ».

Le processus de revêtement au plasma est une recette, donc tout comme la cuisson du pain, le résultat n'est pas exactement le même à chaque fois.

Ouragan Omar

Quant à la cause de cette énorme variation de production, Herrmann dit que l'hypothèse principale est celle des vides et des creux dans les capsules de combustible, qui sont fabriquées à partir de diamant industriel. Il explique que ces imperfections peuvent être amplifiées lors du processus d’implosion, provoquant l’entrée du diamant dans le point chaud. Étant donné que le carbone a un numéro atomique plus élevé que le deutérium ou le tritium, il peut rayonner beaucoup plus efficacement, ce qui refroidit le point chaud et diminue les performances. 

Hurricane convient que le diamant joue probablement un rôle important dans la variation des performances d'un coup à l'autre. Soulignant que de grandes variations de production sont à prévoir étant donné la non-linéarité des implosions du NIF, il affirme que les scientifiques impliqués ne comprennent pas pleinement le processus de revêtement plasma utilisé lors de la fabrication des capsules. « C'est une recette », dit-il, « donc tout comme pour faire du pain, le résultat n'est pas exactement le même à chaque fois. »

La route vers l’énergie de fusion

Hurricane indique que l'équipe étudie actuellement plusieurs moyens d'augmenter la production du NIF en plus d'améliorer la qualité des capsules. Il s'agit notamment de modifier l'épaisseur de la capsule, de modifier la taille ou la géométrie du hohlraum, ou éventuellement d'augmenter l'énergie de l'impulsion laser à environ 2.1 MJ pour réduire la précision requise pour la cible. Il dit qu’il n’y a « pas de chiffre magique » en ce qui concerne le gain cible, mais ajoute que plus le gain est élevé, plus l’espace de paramètres pouvant être exploré lors de la gestion des stocks est grand. Il souligne également qu'un gain de 1 ne signifie pas que l'installation génère de l'énergie nette, étant donné la faible part de l'énergie électrique entrante que le laser convertit en lumière sur la cible – dans le cas du NIF, moins de 1 %.

Le long chemin vers l'allumage

Michael Campbell de l'Université de Rochester Aux États-Unis, on estime que le NIF pourrait réaliser un gain d'au moins 1 « au cours des 2 à 5 prochaines années », à condition d'améliorer adéquatement le cadre et l'objectif. Mais il affirme que pour atteindre des gains commercialement pertinents de 50 à 100, il faudrait probablement passer de la « commande indirecte » du NIF, qui génère des rayons X pour compresser la cible, à la « commande directe », potentiellement plus efficace mais plus délicate, qui repose sur le rayonnement laser lui-même.

Malgré les plusieurs milliards de dollars qui seront probablement nécessaires, Campbell est optimiste quant au fait qu’une installation à entraînement direct appropriée puisse démontrer de tels gains d’ici la fin des années 2030 – en particulier, dit-il, si le secteur privé est impliqué. Mais il prévient que les centrales électriques commerciales ne commenceront probablement pas à fonctionner avant au moins le milieu du siècle. "L'énergie de fusion est destinée au long terme", dit-il, "je pense que les gens doivent être réalistes face aux défis."