Pourquoi le rêve de la fusion nucléaire devient réalisable

Mais quelle est l’importance réelle de la percée effectuée par le laboratoire national américain Lawrence Livermore de Californie? Le rêve longtemps caressé d’une fusion nucléaire fournissant une énergie abondante et propre est-il maintenant atteignable? Carolyn Kuranz, professeure agrégée de génie nucléaire à l’Université du Michigan, qui a travaillé dans l’installation qui vient de battre le record de fusion, met en perspective ce succès.

Que s’est-il passé dans la chambre de fusion?

La 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 National Ignition Facility du Département américain de l’énergie 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 de focaliser 192 lasers sur une pastille de combustible de 0,04 pouce (1 mm) composée de deutérium et de tritium – deux versions de l’élément hydrogène avec des neutrons supplémentaires – placée 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 de degrés Celsius) – environ 100 fois plus chaud que la surface du Soleil. Si vous pouvez maintenir ces conditions suffisamment longtemps, 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 aura survécu à la chaleur et pourra mesurer avec précision l’énergie libérée par la réaction de fusion.

Le carburant est contenu dans une petite cartouche conçue pour maintenir la réaction aussi exempte de contaminants que possible. Département américain de l’énergie/Laboratoire national Lawrence Livermore

Quelle est exactement la portée de l’avancée?

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 1 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 2 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 a libéré 3 millions de joules. Il s’agit d’un gain d’environ 1,5, battant le précédent record d’un gain de 0,7 réalisé par l’installation en août 2021.

L’énergie de fusion est le « Saint Graal » de la production d’énergie depuis près d’un demi-siècle. Un gain de 1,5 est, je crois, une percée scientifique véritablement historique, même s’il reste encore un long chemin à parcourir avant que la fusion ne devienne 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 à l’installation pour produire les lasers utilisés 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 puisse fournir un retour d’énergie positif net en prenant en considération l’ensemble du système de bout en bout, pas seulement une interaction unique entre les lasers et le combustible.

Les machines utilisées pour créer les lasers puissants, comme ces préamplificateurs, nécessitent beaucoup plus d’énergie que les lasers eux-mêmes n’en produisent. Laboratoire national Lawrence Livermore, CC BY-SA

Les obstacles à surmonter pour continuer à avancer

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 avancées supplémentaires peuvent rendre ce processus plus efficace.

Premièrement, les lasers n’ont été inventés qu’en 1960. Lorsque le gouvernement américain a achevé la construction de la National Ignition Facility en 2009, il s’agissait de l’installation laser la plus puissante au monde, capable de fournir 1 million de joules d’énergie sur une cible. Les 2 millions de joules qu’il produit aujourd’hui sont 50 fois plus importants 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 difficiles à maintenir, et toute petite imperfection dans la capsule ou le carburant peut augmenter les besoins énergétiques et diminuer l’efficacité. Les scientifiques ont fait beaucoup de progrès pour transférer plus efficacement l’énergie du laser à la cartouche et le rayonnement X de la cartouche à la capsule de combustible, mais actuellement, seulement 10 à 30% de l’énergie laser totale est transférée à la cartouche et au carburant.

Enfin, si une partie du combustible, le deutérium, est naturellement abondante dans l’eau de mer, le tritium est beaucoup plus rare. La fusion elle-même produit en fait du tritium, les chercheurs espèrent donc développer des moyens de récolter directement ce tritium. En attendant, il existe d’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 travaux devront également être effectués pour réduire considérablement le coût d’une centrale à fusion par rapport aux 3,5 milliards de dollars 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 qui poursuivent différentes techniques. Mais avec le nouveau résultat du National Ignition Facility, le monde a, pour la première fois la preuve que le rêve de la fusion devient réalisable.

Carolyn Kuranz Associate Professor of Nuclear Engineering, University of Michigan

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons Lire l’article original sur The Conversation (en anglais).