Les scientifiques de la plus grande installation de fusion nucléaire au monde ont réussi le phénomène connu sous le nom d’allumage, créant une réaction nucléaire qui génère plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Les résultats de la percée au National Ignition Facility (NIF) des États-Unis, réalisée le 5 décembre et annoncés aujourd’hui par l’administration du président américain Joe Biden, ont enthousiasmé la communauté mondiale de la recherche sur la fusion.

Cette recherche vise à exploiter la fusion nucléaire – le phénomène qui alimente le Soleil – pour fournir une source d’énergie propre presque illimitée sur Terre.

« C’est une réalisation incroyable », déclare Mark Herrmann, directeur adjoint de la physique fondamentale des armes au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie, qui abrite le laboratoire de fusion. L’expérience historique fait suite à des années de travail de plusieurs équipes sur tout, des lasers et de l’optique aux cibles et aux modèles informatiques, dit Herrmann. « C’est bien sûr ce que nous célébrons. »

Installation expérimentale phare du programme d’armes nucléaires du Département américain de l’énergie, conçue pour étudier les réactions créées par de telles armes, le NIF visait à l’origine à atteindre l’allumage d’ici 2012 et a été critiqué pour ses retards et ses dépassements de coûts. En août 2021, les scientifiques du NIF ont annoncé qu’ils avaient utilisé leur dispositif laser haute puissance pour obtenir une réaction record qui a franchi un seuil critique sur la voie de l’allumage, mais les efforts pour reproduire cette expérience, ou tir, dans les mois suivants ont échoué. En fin de compte, les scientifiques ont abandonné leurs efforts pour reproduire ce plan et repenser la conception expérimentale, un effort qui a porté ses fruits la semaine dernière.

« Il y avait beaucoup de gens qui ne pensaient pas que c’était possible, mais moi et d’autres qui avons gardé la foi, nous nous sentons quelque peu justifiés », déclare Michael Campbell, ancien directeur du laboratoire de fusion de l’Université de Rochester à New York et un des premiers promoteur du NIF alors qu’il était au laboratoire Lawrence Livermore. « J’ai un cosmos à célébrer. »

Qu’est-ce que le NIF a réalisé?

L’installation a utilisé son ensemble de 192 lasers pour délivrer 2,05 mégajoules d’énergie sur un cylindre d’or de la taille d’un pois contenant une pastille congelée des isotopes de l’hydrogène deutérium et tritium. L’impulsion d’énergie a provoqué l’effondrement de la capsule, créant des températures que l’on ne voit que dans les étoiles et les armes thermonucléaires, et les isotopes d’hydrogène ont fusionné en hélium, libérant de l’énergie supplémentaire et créant une cascade de réactions de fusion. L’analyse du laboratoire suggère qu’environ 3,15 mégajoules d’énergie ont été libérées, soit environ 54 % de plus que l’énergie qui est entrée dans la réaction et plus du double du précédent record de 1,3 mégajoules.

« La recherche sur la fusion se poursuit depuis le début des années 50, et c’est la première fois en laboratoire que la fusion produit plus d’énergie qu’elle n’en consomme », déclare Campbell.

L’expérience est qualifiée en toute sécurité d’allumage, une mesure de référence pour les réactions de fusion qui se concentre sur la quantité d’énergie pénétrant dans la cible par rapport à la quantité d’énergie libérée. Cependant, alors que les réactions de fusion peuvent avoir produit plus de 3 mégajoules d’énergie – plus que ce qui a été fourni à la cible – les 192 lasers du NIF ont consommé 322 mégajoules d’énergie dans le processus.

« C’est une étape importante, mais le NIF n’est pas un dispositif d’énergie de fusion », déclare Dave Hammer, ingénieur nucléaire à l’Université Cornell à Ithaca, New York.

Herrmann le reconnaît, affirmant qu’il y a de nombreuses étapes sur la voie de l’énergie de fusion laser. « Le NIF n’a pas été conçu pour être efficace », dit-il. « Il a été conçu pour être le plus gros laser que nous puissions construire pour nous fournir les données dont nous avons besoin pour le programme de recherche sur les stocks [nucléaires]. »

Pour obtenir l’allumage, les scientifiques du NIF ont apporté de multiples modifications avant le dernier tir laser, basées en partie sur l’analyse et la modélisation informatique des expériences menées l’année dernière. En plus d’augmenter la puissance du laser d’environ 8 %, les scientifiques ont créé une nouvelle cible avec moins d’imperfections et ont ajusté la façon dont l’énergie laser était délivrée sur la cible afin de créer une implosion plus sphérique. Les scientifiques savaient qu’ils opéraient à l’aube de l’allumage par fusion, et dans ce régime, dit Herrmann, « de petits changements peuvent faire une grande différence ».

Pourquoi ces résultats sont-ils significatifs?

À un certain niveau, il s’agit de prouver ce qui est possible, et sur ce front, de nombreux scientifiques ont salué le résultat comme une étape importante dans la science de la fusion. Mais les résultats revêtent une importance particulière au NIF : l’installation a été conçue pour aider les scientifiques des armes nucléaires à étudier la chaleur et les pressions intenses qui se produisent à l’intérieur des explosions thermonucléaires, et cela n’est possible que si l’installation produit des réactions de fusion à haut rendement.

Cela a pris plus d’une décennie, « mais ils peuvent être félicités pour avoir atteint leur objectif », déclare Stephen Bodner, un physicien qui dirigeait auparavant le programme de fusion laser au US Naval Research Laboratory à Washington DC. Bodner dit que la grande question est maintenant de savoir ce que le ministère de l’Énergie fera ensuite : doubler la recherche sur les armes au NIF ou pivoter vers un programme laser spécifiquement axé sur la recherche sur l’énergie de fusion.

Qu’est-ce que cela signifie pour l’énergie de fusion?

Les derniers résultats ont déjà ravivé le buzz sur un avenir propulsé par l’énergie de fusion propre, mais les experts préviennent qu’il y a encore un long chemin à parcourir.

Les scientifiques du NIF reconnaissent volontiers que l’installation n’a pas été conçue en pensant à l’énergie de fusion commerciale – et de nombreux chercheurs doutent que la fusion par laser soit l’approche qui produira finalement de l’énergie de fusion. Mais Campbell pense que son dernier succès pourrait renforcer la confiance dans la promesse de la puissance de fusion laser et finalement ouvrir la porte à un nouveau programme axé sur les applications énergétiques. « C’est absolument nécessaire pour avoir la crédibilité nécessaire pour vendre un programme énergétique », dit-il.

Le directeur du laboratoire de Lawrence Livermore, Kim Budil, a décrit la réalisation comme une preuve de concept. « Je ne veux pas vous donner l’impression que nous allons brancher le NIF sur le réseau : ce n’est certainement pas ainsi que cela fonctionne », a-t-elle déclaré lors d’une conférence de presse à Washington, DC. « Mais c’est la pierre angulaire d’un système d’alimentation par fusion à confinement inertiel. »

Il existe de nombreuses autres expériences de fusion dans le monde qui tentent de réaliser la fusion pour des applications énergétiques en utilisant différentes approches. Mais des défis techniques subsistent, notamment la conception et la construction d’usines capables d’extraire la chaleur produite par la fusion et de l’utiliser pour générer d’importantes quantités d’énergie pouvant être transformées en électricité utilisable.

« Bien que ce soit une bonne nouvelle, ce résultat est encore loin du gain d’énergie réel nécessaire à la production d’électricité », a déclaré Tony Roulstone, chercheur en énergie nucléaire à l’Université de Cambridge, au Royaume-Uni, dans une déclaration au Science Media Center. Pourtant, « les expériences du NIF axées sur l’énergie de fusion sont absolument précieuses sur la voie de l’énergie de fusion commerciale », déclare Anne White, physicienne des plasmas au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge.

Quelles sont les prochaines grandes étapes de la fusion?

Pour démontrer que le type de fusion étudié au NIF peut être un moyen viable de produire de l’énergie, l’efficacité du rendement – l’énergie libérée par rapport à l’énergie qui entre dans la production des impulsions laser – doit augmenter d’au moins deux ordres de grandeur .

Les chercheurs devront également augmenter considérablement la vitesse à laquelle les lasers peuvent produire les impulsions et la vitesse à laquelle ils peuvent nettoyer la chambre cible pour la préparer à une autre combustion, explique Time Luce, responsable scientifique et opérationnel du projet international de fusion nucléaire ITER. , qui est en construction à St-Paul-lez-Durance, France.

« Des événements suffisants produisant de l’énergie de fusion à des performances répétées constitueraient une étape importante », déclare White.

Le projet ITER, d’une valeur de 22 milliards de dollars américains, une collaboration entre la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis, vise à réaliser une fusion autonome, ce qui signifie que l’énergie de la fusion produit plus de fusion, avec un autre technique issue de l’approche « fusion par confinement inertiel » du NIF. ITER conservera un plasma de deutérium et de tritium confiné dans une chambre à vide toroïdale, ou tokamak, et le chauffera jusqu’à ce que les noyaux fusionnent. Lorsqu’il commencera à le faire en 2035, il visera à atteindre le stade de « combustion », explique Luce « où la puissance d’auto-échauffement est la source dominante de chauffage ». Une telle fusion autonome est la clé pour produire plus d’énergie que ce qui est mis en place.

Qu’est-ce que cela signifie pour les autres expériences de fusion?

NIF et ITER sont deux concepts de technologie de fusion parmi tant d’autres poursuivis par les gouvernements du monde entier. Les approches incluent le confinement magnétique du plasma – utilisé par les tokamaks et les stellarators – et le confinement inertiel, utilisé par le NIF, et un hybride des deux, entre autres.

La technologie requise pour produire de l’électricité à partir de la fusion est largement indépendante du concept, et, dit White, et la dernière étape importante ne conduira pas nécessairement les chercheurs à abandonner ou à consolider les concepts.

Les défis techniques auxquels est confronté le NIF sont différents de ceux d’ITER et d’autres installations. Mais la réalisation symbolique pourrait avoir des effets étendus. « Un résultat comme celui-ci suscitera un intérêt accru pour les progrès de tous les types de fusion, il devrait donc avoir un impact positif sur la recherche sur la fusion en général », déclare Luce.

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