Laser de la National Ignition Facility

Après avoir échoué à reproduire le record d'énergie de fusion de l'année dernière, les scientifiques de l'US National Ignition Facility sont retournés à la planche à dessin.Edwin Cartlidgediscute de leurs prochaines étapes

Le 8 août de l'année dernière, des physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis ont utilisé le plus grand laser du monde pour réaliser une expérience record. En utilisant les 192 faisceaux du National Ignition Facility (NIF) de 3,5 milliards de dollars pour faire 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, la découverte suggère que les lasers géants pourraient encore permettre une nouvelle source d'énergie sûre, propre et essentiellement illimitée.

Le résultat a mis les chercheurs du laboratoire de Livermore dans une ambiance de fête, après avoir lutté pendant plus d'une décennie pour faire des progrès significatifs. Mais l'excitation initiale s'est rapidement estompée lorsque plusieurs tentatives ultérieures pour reproduire l'exploit ont échoué - ne rassemblant au mieux que la moitié de la production record. La direction de Livermore ayant décidé de n'essayer qu'une poignée d'expériences répétées, le laboratoire a mis sa quête du seuil de rentabilité en attente et a plutôt essayé de comprendre ce qui provoquait la variation de la production.

Pour les détracteurs du NIF, la dernière correction de trajectoire n'a pas été une surprise, illustrant apparemment une fois de plus l'inadéquation de l'installation en tant que banc d'essai pour une production d'énergie de fusion robuste. 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 le chauffage des réactions de fusion l'emporte sur le refroidissement, créant une boucle de rétroaction positive qui augmente rapidement la température du plasma.

Omar Hurricane, scientifique en chef du programme de fusion de Livermore, soutient 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. Décrivant l'atteinte éventuelle du seuil de rentabilité comme "le prochain événement de relations publiques", il affirme néanmoins que cela reste une étape importante que lui et ses collègues veulent atteindre. En effet, les physiciens au-delà du laboratoire de Livermore sont convaincus que la cible tant discutée sera atteinte. Steven Rose de l'Imperial College au Royaume-Uni estime qu'"il y a toutes les chances" que le seuil de rentabilité soit atteint.

Tenter d'exploiter la fusion implique de chauffer un plasma de noyaux légers 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 convenablement immenses, les particules alpha devraient fournir suffisamment de chaleur pour entretenir les réactions par elles-mêmes, tandis que les neutrons peuvent 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 à la place les conditions extrêmes créées pendant un moment fugace à l'intérieur d'une infime quantité de combustible de fusion hautement comprimé avant qu'il ne se dilate à nouveau. Le carburant est placé à l'intérieur d'une capsule sphérique de 2 mm de diamètre, qui est située au centre d'un "hohlraum" métallique cylindrique d'environ 1 cm de long et implose lorsque les faisceaux laser dirigés avec précision 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 contrôler les programmes informatiques utilisés pour simuler des explosions d'armes nucléaires - étant donné que les États-Unis ont cessé les essais en direct en 1992. Cependant, après la mise en service en 2009, il est vite devenu évident que les programmes utilisés pour guider ses propres opérations avaient sous-estimé les difficultés rencontrées, en particulier lorsqu'il s'agissait de gérer des instabilités de plasma et de créer des implosions convenablement symétriques. Le NIF manquant son objectif initial d'atteindre l'allumage d'ici 2012, la National Nuclear Security Administration des États-Unis, qui supervise le laboratoire, a mis cet objectif de côté pour se concentrer sur la tâche fastidieuse de mieux comprendre la dynamique de l'implosion.

Au début de 2021, à la suite d'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'apport d'énergie externe. Ils ont ensuite effectué une série de modifications supplémentaires, notamment en rétrécissant les trous d'entrée du laser du hohlraum et en abaissant la puissance de crête du laser. L'effet a été de déplacer une partie de l'énergie des rayons X vers plus tard dans le tir, ce qui a augmenté 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 cliché "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 - environ huit fois plus élevé que leur meilleur résultat précédent, obtenu plus tôt dans l'année. Ce nouveau rendement impliquait un "gain cible" de 0,72 - par rapport à la sortie de 1,97 MJ du laser - 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 Hurricane, l'expérience a également satisfait à ce que l'on appelle le critère de Lawson pour l'allumage. Établi pour la première fois par l'ingénieur et physicien John Lawson en 1955, il stipule les conditions dans lesquelles l'auto-échauffement par fusion dépassera l'énergie perdue par conduction et rayonnement. Hurricane dit que les résultats du NIF ont satisfait neuf formulations différentes du critère de fusion par confinement inertiel, démontrant ainsi l'allumage "sans ambiguïté".

Après le tir record, Hurricane et certains de ses collègues scientifiques du NIF ont tenu à reproduire leur succès. Mais la direction du laboratoire n'était pas aussi enthousiaste. Selon Mark Herrmann, alors directeur adjoint de Livermore pour la physique fondamentale des armes, plusieurs groupes de travail ont été mis en place à la suite de N210808 pour évaluer les prochaines étapes. Il dit qu'une équipe de direction composée d'une dizaine d'experts en confinement inertiel a rassemblé ces conclusions 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 du premier point impliquait 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 de "ressources limitées" et d'un nombre limité de cibles dans le lot contenant N210808, il dit que l'équipe de direction s'est contentée de trois tirs supplémentaires.

Hurricane a un souvenir légèrement différent, disant qu'il y a eu quatre répétitions. Ces expériences, dit-il, ont été menées sur une période d'environ trois mois et ont atteint des rendements allant de moins d'un cinquième à environ la moitié de ceux atteints en août. Mais il soutient que ces clichés étaient encore "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 l'ont décrit".

Le processus de revêtement au plasma est une recette, donc tout comme la cuisson du pain, il ne sort pas exactement de la même manière à chaque fois.

Quant à la cause de cette énorme variation de production, Herrmann dit que l'hypothèse principale est les vides et les divots dans les capsules de carburant, qui sont fabriquées à partir de diamant industriel. Il explique que ces imperfections peuvent être amplifiées pendant le 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 réduit les performances.

Hurricane convient que le diamant joue probablement un rôle important dans la variation des performances coup par coup. Soulignant que de grandes variations de sortie sont à prévoir compte tenu de la non-linéarité des implosions du NIF, il dit que les scientifiques impliqués ne comprennent pas entièrement le processus de revêtement au plasma utilisé lors de la fabrication des capsules. "C'est une recette", dit-il, "donc, tout comme la cuisson du pain, le résultat n'est pas exactement le même à chaque fois."

Hurricane dit que l'équipe étudie actuellement plusieurs façons d'augmenter la production de NIF en plus d'améliorer la qualité des capsules. Celles-ci incluent la modification de l'épaisseur de la capsule, la modification de la taille ou de la géométrie du hohlraum, ou éventuellement l'augmentation de 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 qui peut 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 quantité d'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 estime que le NIF pourrait réaliser un gain d'au moins 1 "au cours des 2 à 5 prochaines années", compte tenu des améliorations adéquates du hohlraum et de la cible. Mais il soutient 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 comprimer 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 sur le 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 commenceraient probablement pas à fonctionner avant au moins le milieu du siècle. "L'énergie de fusion est à long terme", dit-il, "je pense que les gens doivent être réalistes quant aux défis."