Fusion nucléaire : comment les scientifiques peuvent transformer la dernière découverte en une nouvelle source d’énergie propre

John Pasley, The Conversation
Samedi 17 décembre 2022
L’énergie laser est convertie en rayons X à l’intérieur d’une boîte, qui comprime une capsule de carburant jusqu’à ce qu’elle implose. crédit LLNL

Des chercheurs aux États-Unis ont finalement atteint un objectif qui avait été fixé il y a des décennies : la réalisation de « l’allumage » — extraire plus d’énergie que vous n’en mettez — en utilisant la fusion nucléaire.

Les scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory, où l’expérience a eu lieu, sont sans aucun doute à la fois excités et soulagés de tenir enfin la promesse impliquée par le nom de leur installation. Mais à quel point le reste d’entre nous devrait-il l’être ? Qu’est-ce que cela signifie vraiment ? aura-t-on vraiment la possibilité de créer des quantités illimitées d’énergie propre, et que faut-il faire d’autre pour y parvenir ?

Bien que les réactions de fusion aient libéré plus d’énergie que celle injectée dans la cible, cela ne tient pas compte des quantités d’énergie bien plus importantes nécessaires pour déclencher le laser utilisé pour piloter l’expérience. De plus, l’énergie n’était pas sous la forme d’électricité, mais d’une impulsion de particules énergétiques. Exploiter ces particules pour produire de l’électricité et maintenir un réacteur à fusion en fonctionnement constant nécessitera de surmonter de nombreux obstacles.

Néanmoins, l’allumage est une réalisation remarquable, qui promet de stimuler l’intérêt et peut-être aussi de mobiliser des fonds pour relever ces nouveaux défis.

L’expérience : comment cela a fonctionné et ce qu’il a réalisé

Jetons un coup d’œil aux détails de cette réalisation. Les chercheurs ont utilisé un laser haute puissance pour envoyer 2,05 millions de joules d’énergie dans une minuscule cible contenant du combustible de fusion. Cela a forcé les noyaux atomiques légers dans le combustible à se regrouper pour créer des noyaux plus lourds, libérant ainsi 3,15 millions de joules d’énergie.

Cela correspond à un gain d’environ 1,5 (2,05 x 1,5 = 3,1). Ce fut une explosion d’énergie si intense que, pendant une fraction de seconde, la combustion du combustible de fusion produisit dix mille fois plus d’énergie que la production combinée de toutes les centrales électriques sur Terre.

C’est de la grande science. Le bâtiment du NIF comprend non pas un mais 192 faisceaux laser individuels, qui rebondissent sur une distance de plus d’un kilomètre avant d’atteindre la cible. Le bâtiment qui abrite toute cette technologie est haut de dix étages et de la taille de trois terrains de football (américains) côte à côte.

La recherche sur la fusion s’articule autour de deux volets principaux : la fusion par laser et la fusion par confinement magnétique. Le confinement magnétique consiste à faire léviter le combustible de fusion sous la forme d’un plasma (gaz chargé) à l’aide d’un champ magnétique important.

La fusion par laser implique plutôt l’implosion de minuscules capsules de combustible de fusion à des densités incroyablement élevées, à quel point la combustion se déroulera si rapidement qu’une énergie importante peut être libérée avant que le combustible n’ait eu la chance de s’envoler.

Dans les deux cas, le carburant doit être porté à des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés Celsius pour commencer à brûler. C’est cette exigence, plus que toute autre, qui rend la fusion si difficile à réaliser.

La fusion par laser pose toujours des défis majeurs

La fusion laser est une technologie pulsée, et un énorme obstacle est le soi-disant taux de répétition laser. L’énergie est libérée en rafales intenses d’une durée bien inférieure à un milliardième de seconde, qui doivent être répétées plusieurs fois par seconde pour produire une puissance de sortie moyenne comparable aux centrales électriques modernes à combustible fossile.

Le laser NIF selon ces normes est beaucoup trop lent. Il ne peut être tiré que deux fois par jour. Mais l’objectif du NIF était de démontrer que l’allumage est possible en un seul coup, et non d’imiter les exigences d’une centrale électrique réelle.

Une autre raison pour laquelle l’allumage a pris autant de temps est que ce n’est pas la seule mission du NIF - il soutient également le programme d’armes nucléaires américain.

La physique de la fusion par laser est si complexe et multiforme que les simulations informatiques prennent souvent plus de temps que les expériences réelles. Au début, les modélisateurs apprenaient plus souvent des expériences plutôt que de dire aux expérimentateurs quoi faire ensuite. Une proximité croissante entre la prédiction du modèle et les résultats expérimentaux a étayé le récent succès du NIF et augure bien pour les améliorations futures de la conception des cibles.

Au cours des prochains mois, les modélisateurs et les expérimentateurs devront montrer que le résultat peut être reproduit. Ce qui s’est avéré difficile dans le passé.

Il y a aussi un certain nombre d’autres défis à relever. Un travail considérable a été effectué sur la conception et la construction de lasers capables de déclencher des impulsions à haute énergie plusieurs fois par seconde.

Une autre limitation majeure est que le laser NIF nécessite 300 millions de joules d’entrée électrique pour fournir deux millions de joules de sortie de lumière laser, soit moins de 1 % d’efficacité. Ainsi, la cible devrait produire un gain infaisable afin de produire plus d’énergie que celle utilisée pour alimenter le laser utilisé dans ce cas.

Cependant, le laser NIF est basé sur des technologies qui remontent aux années 1980. Il utilise des lampes flash et des amplificateurs fabriqués à partir de plaques de verre dopées au néodyme, un élément de terre rare.

Les lasers modernes à haute puissance utilisant la technologie des semi-conducteurs peuvent faire beaucoup mieux, atteignant environ 20 % d’efficacité. Étant donné que les cibles de fusion pilotées par laser devraient pouvoir produire des gains supérieurs à 100 lorsqu’elles fonctionnent de manière optimale, l’utilisation de lasers modernes produirait une production d’énergie nette importante.

La construction d’un réacteur en état de marche est encore loin

Un autre défi pour la fusion par laser est de réduire le coût des cibles. La main-d’œuvre impliquée dans la réalisation des objectifs du NIF signifie que chacun coûte autant qu’une voiture neuve.

Une nouvelle cible est nécessaire à chaque fois que le laser se déclenche. Pour la production d’énergie réelle, cela signifierait un renouvellement plusieurs fois par seconde. Les cibles utilisées sur NIF reposent également sur une technique connue sous le nom de « entraînement indirect » dans laquelle la cible convertit d’abord l’énergie laser en rayons X qui implosent ensuite la capsule de combustible de fusion à l’intérieur de la cible. Cela ajoute à la fois de la complexité et du coût.

De nombreux scientifiques considèrent que la voie à suivre pour l’énergie de fusion par laser impliquerait un allumage « à entraînement direct ». Ici, le laser illumine directement une simple capsule de combustible sphérique. Cette approche de l’allumage n’a cependant pas encore été démontrée.

Le combustible du NIF (deutérium et tritium) cède une grande partie de son énergie sous forme de neutrons de haute énergie (particules qui constituent le noyau atomique avec les protons). Les neutrons interagissent avec les matériaux dans la cuve du réacteur, modifiant leur composition et leur structure microscopique.

Cela pourrait poser de sérieux défis aux composants optiques qui doivent transmettre ou réfléchir efficacement la lumière laser. Certains scientifiques envisagent de piloter une physique similaire par des moyens alternatifs, peut-être en utilisant directement de l’énergie électrique pulsée ou des faisceaux focalisés d’ions (atomes chargés).

La recherche sur la fusion par confinement magnétique ouvre la voie dans de nombreux domaines liés à la construction d’un réacteur de puissance. Il a dû s’attaquer à bon nombre des mêmes problèmes pour concevoir et construire l’installation ITER, qui vise également à produire du gain et est en voie d’achèvement dans le sud de la France. Scientifiques et ingénieurs des deux axes de recherche collaborent sur des aspects liés à la construction de réacteurs communs aux deux domaines.

La puissance de fusion a, pendant des décennies, semblé être un prix qui reste à jamais hors de portée. Bien que des défis importants subsistent, alors que les chercheurs travaillent activement à l’amélioration de la technologie laser et de la conception des réacteurs, des percées conduiront inévitablement à de nouveaux progrès vers des centrales à fusion nucléaire. Certains chercheurs travaillant sur la fusion sentent maintenant qu’ils pourraient voir la fusion fournir de l’énergie au réseau au cours de leur propre vie.

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article d’origine.

((Traduction totalement bénévole sans retombées économiques pour ce site))

Voir en ligne : Nuclear fusion : how scientists can turn latest breakthrough into a new clean power source