Des scientifiques américains ont annoncé ce qu'ils ont appelé une percée majeure dans un objectif longtemps insaisissable de créer de l'énergie à partir de la fusion nucléaire.
Le département américain de l'Énergie a déclaré le 13 décembre 2022 que pour la première fois - et après plusieurs décennies d'essais - les scientifiques ont réussi à tirer plus d'énergie du processus qu'ils n'en avaient besoin.
Mais quelle est l'importance du développement? Et jusqu'où est le rêve longtemps recherché d'une fusion fournissant une énergie abondante et propre ? Caroline Kuranz, professeur agrégé de génie nucléaire à l'Université du Michigan qui a travaillé dans l'installation qui vient de battre le record de fusion, aide à expliquer ce nouveau résultat.
Que s'est-il passé dans la chambre de fusion ?
Fusion est une réaction nucléaire qui combine deux atomes pour créer un ou plusieurs nouveaux atomes avec une masse totale légèrement inférieure. La différence de masse est libérée sous forme d'énergie, comme décrit par la célèbre équation d'Einstein, E = mc2 , où l'énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. Étant donné que la vitesse de la lumière est énorme, la conversion d'une infime quantité de masse en énergie, comme ce qui se passe dans la fusion, produit une quantité d'énergie tout aussi énorme.
Des chercheurs du gouvernement américain Installation nationale d'allumage en Californie ont démontré, pour la première fois, ce que l'on appelle «l'allumage par fusion». L'allumage se produit lorsqu'une réaction de fusion produit plus d'énergie que celle qui est mise dans la réaction à partir d'une source extérieure et devient auto-entretenue.
La technique utilisée au National Ignition Facility impliquait le tir de 192 lasers à un Pastille de carburant de 0.04 pouce (1 mm) composé de deutérium et de tritium - deux versions de l'élément hydrogène avec des neutrons supplémentaires - placés dans une cartouche en or. Lorsque les lasers frappent la cartouche, ils produisent des rayons X qui chauffent et compriment la pastille de combustible à environ 20 fois la densité du plomb et à plus de 5 millions de degrés Fahrenheit (3 millions Celsius) - environ 100 fois plus chaud que la surface de la Soleil. Si vous pouvez maintenir ces conditions suffisamment longtemps, le le carburant fusionnera et libérera de l'énergie.
Le carburant et la cartouche se vaporisent en quelques milliardièmes de seconde au cours de l'expérience. Les chercheurs espèrent alors que leur équipement a survécu à la chaleur et mesuré avec précision l'énergie libérée par la réaction de fusion.
Alors, qu'ont-ils accompli ?
Pour évaluer le succès d'une expérience de fusion, les physiciens examinent le rapport entre l'énergie libérée par le processus de fusion et la quantité d'énergie dans les lasers. Ce rapport est appelé gain.
Tout gain supérieur à un signifie que le processus de fusion a libéré plus d'énergie que les lasers n'en ont délivré.
Le 5 décembre 2022, la National Ignition Facility a tiré une pastille de carburant avec deux millions de joules d'énergie laser - environ la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner un sèche-cheveux pendant 15 minutes - le tout contenu en quelques milliardièmes de seconde. Cela a déclenché une réaction de fusion qui libéré trois millions de joules. C'est un gain d'environ 1.5, fracassant le record précédent d'un gain de 0.7 atteint par l'établissement en août 2021.
À quel point ce résultat est-il important ?
Énergie de fusion a été le « Saint Graal » de la production d'énergie pendant près d'un demi-siècle. Si un gain de 1.5 est, je crois, une percée scientifique véritablement historique, il reste encore un long chemin à parcourir avant que la fusion ne soit une source d'énergie viable.
Alors que l'énergie laser de 2 millions de joules était inférieure au rendement de fusion de 3 millions de joules, il a fallu près de 300 millions de joules pour produire les lasers utilisé dans cette expérience. Ce résultat a montré que l'allumage par fusion est possible, mais il faudra beaucoup de travail pour améliorer l'efficacité au point où la fusion peut fournir un retour d'énergie positif net en prenant en considération l'ensemble du système de bout en bout, pas seulement un interaction unique entre les lasers et le combustible.
Qu'est-ce qui doit être amélioré ?
Il existe un certain nombre de pièces du puzzle de la fusion que les scientifiques améliorent régulièrement depuis des décennies pour produire ce résultat, et des travaux supplémentaires peuvent rendre ce processus plus efficace.
Premièrement, les lasers n'étaient que inventé dans 1960. Lorsque le gouvernement américain a achevé la construction de l'installation nationale d'allumage en 2009, c'était l'installation laser la plus puissante au monde, capable de fournir un million de joules d'énergie à une cible. Les deux millions de joules qu'il produit aujourd'hui sont 50 fois plus énergétiques que le prochain laser le plus puissant sur Terre. Des lasers plus puissants et des moyens moins énergivores de produire ces lasers puissants pourraient grandement améliorer l'efficacité globale du système.
Les conditions de fusion sont très difficile à maintenir, et n'importe quel petite imperfection dans la capsule ou le carburant peut augmenter les besoins en énergie et diminuer l'efficacité. Les scientifiques ont fait beaucoup de progrès pour transférer plus efficacement l'énergie du laser à la cartouche et par Rayonnement X de la cartouche à la capsule de combustible, mais actuellement seulement environ 10 pour cent en 30 de l'énergie laser totale est transférée à la cartouche et au carburant.
Enfin, alors qu'une partie du combustible, le deutérium, est naturellement abondant dans l'eau de mer, le tritium est beaucoup plus rare. La fusion elle-même produit en fait tritium, les chercheurs espèrent donc développer des moyens de récolter directement ce tritium. En attendant, il y a autres méthodes disponibles pour produire le carburant nécessaire.
Ces obstacles scientifiques, technologiques et techniques, ainsi que d'autres, devront être surmontés avant que la fusion ne produise de l'électricité pour votre maison. Des efforts devront également être faits pour faire baisser le coût d'une centrale à fusion par rapport au 3.5 milliards de dollars américains de la National Ignition Facility. Ces étapes nécessiteront des investissements importants de la part du gouvernement fédéral et de l'industrie privée.
Il convient de noter qu'il existe une course mondiale autour de la fusion, avec de nombreux autres laboratoires à travers le monde suivre différentes techniques. Mais avec le nouveau résultat du National Ignition Facility, le monde a, pour la première fois, vu la preuve que le rêve de fusion est réalisable.
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.
Crédit image: Département américain de l'énergie/Laboratoire national Lawrence Livermore
