Ce laboratoire pionnier de la fusion nucléaire se prépare à battre plus de records

Voici ce qui se passe après la percée de la US National Ignition Facility sur la fusion nucléaire l'année dernière

Le mois dernier, le National Ignition Facility (NIF) des États-Unis a allumé ses lasers à pleine puissance pour la première fois depuis décembre, lorsqu'il a atteint son objectif d'"allumage" de plusieurs décennies en produisant plus d'énergie lors d'une réaction nucléaire qu'il n'en a consommé. La dernière campagne n'a pas été proche de correspondre: NIF n'a réalisé que 4% de la production qu'il a réalisée à la fin de l'année dernière. Mais les scientifiques ne s'y attendaient pas.

S'appuyant sur le succès du NIF, ils font maintenant jouer les muscles expérimentaux du programme, essayant de mieux comprendre les capacités de l'installation de fusion nucléaire. Ici, Nature regarde ce qui est à venir pour le NIF, et s'il propulsera les efforts mondiaux pour créer un vaste approvisionnement en énergie propre pour la planète.

Le NIF, basé au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie, est une installation de la taille d'un stade qui tire 192 lasers sur un minuscule cylindre d'or contenant une capsule de diamant. À l'intérieur de la capsule se trouve une pastille congelée des isotopes de l'hydrogène deutérium et tritium. Les lasers déclenchent une implosion, créant une chaleur et une pression extrêmes qui poussent les isotopes de l'hydrogène à fusionner en hélium, libérant de l'énergie supplémentaire.

L'un des principaux défis pour faire fonctionner ce système est la fabrication de la capsule en diamant. Même les plus petits défauts - marques de la taille d'une bactérie, contamination métallique ou variations de forme et d'épaisseur - affectent l'implosion, et donc la pression et la chaleur qui entraînent les réactions de fusion.

Des expériences record en 2021 et 2022 ont utilisé les meilleures capsules disponibles, mais en mars, en attendant un nouveau lot, les scientifiques du NIF ont mené une expérience avec une capsule plus épaisse d'un côté que de l'autre. La modélisation a suggéré qu'ils pourraient compenser cette imperfection en ajustant les faisceaux provenant des lasers, pour produire une implosion plus uniforme. C'était un test de leurs prédictions théoriques, explique Richard Town, un physicien qui dirige le programme de science de la fusion par confinement inertiel du laboratoire au LLNL.

Les résultats n'ont pas été à la hauteur de leurs prévisions, et les chercheurs s'efforcent maintenant de comprendre pourquoi. Mais si cette ligne d'investigation porte ses fruits, dit Town, "elle nous ouvrira plus de capsules à utiliser et améliorera notre compréhension de l'implosion".

Les scientifiques ont réussi en décembre en augmentant l'énergie des lasers et en augmentant l'épaisseur de la capsule, ce qui contribue à prolonger les réactions de fusion. Les expériences plus tard cette année suivront une stratégie similaire, explique Annie Kritcher, une physicienne qui dirige la conception de la campagne.

À long terme, l'objectif est d'augmenter la quantité d'énergie générée par les réactions de fusion des 3,15 mégajoules créés l'an dernier à des centaines de mégajoules. La ville voit une voie viable pour augmenter les rendements énergétiques du NIF à des dizaines de mégajoules, entre autres, en augmentant encore l'énergie des lasers entrant dans la cible. Mais il prévient que le NIF pourrait bientôt avoir besoin d'apporter des améliorations substantielles à la sécurité : l'installation n'est conçue que pour des rendements de fusion allant jusqu'à 45 mégajoules. Avant de mener des expériences qui pourraient s'approcher de cette limite, le laboratoire devra, à des endroits stratégiques, renforcer les murs de béton de près de 2 mètres d'épaisseur qui contiennent la réaction.

Le NIF n'a jamais été conçu pour être une centrale électrique. Son objectif principal était d'aider les scientifiques à vérifier que les armes du stock nucléaire américain sont fiables et sûres en recréant et en étudiant les réactions à leur cœur. Mais l'allumage en décembre "a été un événement de passerelle qui a ouvert la porte à un programme énergétique", a déclaré Stephen Dean, président de Fusion Power Associates, un groupe de défense à Gaithersburg, Maryland.

L'expérience record a produit environ 50% d'énergie en plus que celle fournie au cylindre d'or - et surtout, près de 13 fois l'énergie concentrée sur la pastille de combustible interne. Pour Max Karasik, physicien au Naval Research Laboratory de Washington DC, cela met en évidence une voie potentielle vers l'avant que lui et d'autres poursuivent : larguer le cylindre d'or et concentrer les lasers directement sur la pastille de combustible, une conception expérimentale connue sous le nom d'entraînement direct.

Dans cette configuration, "il y a beaucoup plus d'énergie disponible pour comprimer la pastille de combustible", explique Karasik.

Mais les défis à venir pour l'énergie de fusion sont de taille. Les lasers du NIF ont consommé 322 mégajoules d'énergie lors de l'expérience historique de décembre. Pour fournir de l'électricité au public, dit Dean, une usine de fusion laser devrait générer 100 fois plus d'énergie que ce qui a été fourni, et ses lasers devraient tirer environ 10 fois par seconde. Cela signifie concevoir un système capable de focaliser et de déclencher avec précision les lasers sur des centaines de milliers de cibles chaque jour.

Avec sa conception actuelle, le NIF restera un lieu où les scientifiques pourront apprendre des expériences de fusion laser à haut rendement, selon les responsables du laboratoire. Mais en attendant, les entreprises privées multiplient les solutions alternatives.

L'année dernière, l'administration du président américain Joe Biden a exposé sa vision d'un partenariat public-privé dans l'énergie de fusion lors d'un sommet à la Maison Blanche. Le secteur privé prendra la tête des nouvelles technologies de fusion pionnières, tandis que le Département américain de l'énergie (DOE), dont le NIF fait partie, fera progresser les connaissances dans des domaines plus larges tels que la science des matériaux, la fabrication de pointe et la modélisation qui seront cruciaux pour la commercialisation.

Au cours des 18 prochains mois, le DOE envisage de distribuer 50 millions de dollars de subventions à des entreprises privées de fusion dans le cadre d'un programme basé sur des jalons calqué sur le partenariat de la NASA avec des entreprises de transport spatial telles que SpaceX. Cependant, les entreprises de fusion laser seront en concurrence avec les entreprises qui poursuivent d'autres conceptions de fusion. L'un des plus populaires est le tokamak, un appareil qui crée un champ magnétique pour contenir le plasma brûlant généré par une réaction de fusion dans un « tore » en forme de beignet. C'est l'approche utilisée par la plus grande expérience de fusion au monde, ITER, à Saint-Paul-lès-Durance, en France.

La vieille blague sur l'énergie de fusion est qu'elle est dans 50 ans et qu'elle le sera toujours. De nombreux scientifiques disent maintenant que le début de cette équation est plus proche de 20 à 30 ans, mais ce n'est vraiment qu'une question de financement, explique Pravesh Patel, un ancien scientifique du Lawrence Livermore National Lab qui est actuellement directeur scientifique de Focused Energy à Austin, Texas, une entreprise privée de fusion laser.

"En tant que scientifique, je pense que l'énergie de fusion est inévitable", dit-il. "La question est de savoir à quelle vitesse nous voulons que cela fonctionne, et cela dépend des ressources."

Cet article est reproduit avec autorisation et a été publié pour la première fois le 26 avril 2023.

Jeff Tollefsontravaille pour le magazine Nature.

Philippe Boule

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