La dernière percée de la fusion nucléaire contribuera-t-elle à lutter contre le changement climatique ? : RADIO NATIONALE PUBLIQUE

Geoff Brumfiel

L'installation nationale d'allumage de plusieurs milliards de dollars a utilisé 192 faisceaux laser pour créer de l'énergie nette à partir d'une minuscule pastille de combustible nucléaire. Damien Jemison/LLNL/NNSA masquer la légende

L'installation nationale d'allumage de plusieurs milliards de dollars a utilisé 192 faisceaux laser pour créer de l'énergie nette à partir d'une minuscule pastille de combustible nucléaire.

Des scientifiques du Département américain de l'énergie ont réalisé une percée dans la fusion nucléaire.

Pour la toute première fois dans un laboratoire, les chercheurs ont pu générer plus d'énergie à partir des réactions de fusion qu'ils n'en ont utilisé pour démarrer le processus. La puissance totale de sortie était d'environ 150% de la puissance qui a été fournie par 192 faisceaux laser.

"L'Amérique a réalisé une formidable percée scientifique", a déclaré la secrétaire à l'Énergie, Jennifer Granholm, lors d'une conférence de presse.

La réalisation a eu lieu au National Ignition Facility (NIF), un complexe laser de 3,5 milliards de dollars au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie. Pendant plus d'une décennie, le NIF a eu du mal à atteindre son objectif déclaré de produire une réaction de fusion qui génère plus d'énergie qu'elle n'en consomme.

Mais cela a changé en pleine nuit le 5 décembre. À 1 heure du matin, heure locale, les chercheurs ont utilisé les lasers pour zapper une minuscule pastille d'hydrogène. Les lasers ont émis 2,05 mégajoules d'énergie et la pastille a libéré environ 3,15 mégajoules.

C'est une étape majeure, une étape que le domaine de la science de la fusion a du mal à atteindre depuis plus d'un demi-siècle.

"Dans notre laboratoire, nous travaillons là-dessus depuis près de 60 ans", explique Mark Herrmann, qui supervise le programme NIF à Livermore. "C'est une réalisation d'équipe incroyable."

Les chercheurs affirment que l'énergie de fusion pourrait un jour fournir une électricité propre et sûre sans émissions de gaz à effet de serre. Mais même avec cette annonce, des scientifiques indépendants pensent que ce rêve reste loin de plusieurs décennies.

À moins d'une percée encore plus importante, il est peu probable que la fusion joue un rôle majeur dans la production d'électricité avant les années 2060 ou 2070, déclare Tony Roulstone, ingénieur nucléaire à l'Université de Cambridge au Royaume-Uni, qui a effectué une analyse économique de l'énergie de fusion.

"Je pense que la science est excellente", a déclaré Roulstone à propos de la percée. Mais de nombreux obstacles techniques subsistent. "Nous ne savons pas vraiment à quoi ressemblerait la centrale électrique."

À ce rythme, l'énergie de fusion n'arrivera pas assez tôt pour l'administration Biden, qui cherche à ramener à zéro les émissions nettes de gaz à effet de serre des États-Unis d'ici 2050 – un objectif qui, selon les experts, doit être atteint pour éviter les pires effets du changement climatique.

L'énergie de fusion a longtemps enflammé l'imagination des scientifiques et des ingénieurs nucléaires. La technologie fonctionnerait en « fusionnant » des éléments légers d'hydrogène en hélium, générant une énorme quantité d'énergie. C'est le même processus qui alimente le soleil, et c'est beaucoup plus efficace que la technologie actuelle de "fission" nucléaire. De plus, les centrales à fusion généreraient relativement peu de déchets nucléaires et pourraient évacuer l'hydrogène facilement présent dans l'eau de mer.

L'installation du NIF, haute de dix étages, est le système laser le plus puissant au monde. Il est conçu pour diriger ses 192 faisceaux sur un minuscule cylindre d'or et d'uranium appauvri. À l'intérieur du cylindre se trouve une capsule de diamant plus petite qu'un grain de poivre. C'est dans cette capsule que la magie opère - elle est remplie de deux isotopes d'hydrogène qui peuvent fusionner pour libérer des quantités étonnantes d'énergie.

Lorsque les lasers sont tirés sur la cible, ils génèrent des rayons X qui vaporisent le diamant en une infime fraction de seconde. L'onde de choc de la destruction du diamant écrase les atomes d'hydrogène, les faisant fusionner et libérer de l'énergie.

Le NIF a ouvert ses portes en 2009, mais ses premiers tirs au laser ont été bien en deçà des attentes. L'hydrogène dans la cible ne parvenait pas à "s'enflammer", et le ministère de l'Énergie n'avait pas grand-chose à montrer pour les milliards qu'il avait investis.

L'installation utilise de puissants lasers pour comprimer les pastilles de combustible. Le résultat est la fusion nucléaire, le processus qui alimente le Soleil et les plus grandes armes nucléaires du monde. Don Jedlovec/LLNL/NNSA masquer la légende

L'installation utilise de puissants lasers pour comprimer les pastilles de combustible. Le résultat est la fusion nucléaire, le processus qui alimente le Soleil et les plus grandes armes nucléaires du monde.

Puis en août 2021, après des années de progrès lents mais réguliers, les physiciens ont pu enflammer l'hydrogène à l'intérieur de la capsule, créant une brûlure auto-entretenue. Le processus est analogue à l'allumage de l'essence, explique Riccardo Betti, scientifique en chef du laboratoire d'énergétique laser de l'Université de Rochester. "Vous commencez avec une petite étincelle, puis l'étincelle devient de plus en plus grosse, puis la brûlure se propage."

Cet auto-allumage ressemble en fait à un processus similaire à celui d'une ogive thermonucléaire moderne, bien qu'à une échelle beaucoup plus petite.

Les États-Unis n'ont pas testé d'arme nucléaire depuis 1992, et l'objectif principal de l'installation du NIF est de mener des explosions à très petite échelle qui imitent étroitement les armes nucléaires. Les données de ces minuscules explosions sont introduites dans des simulations informatiques complexes qui aident les physiciens à comprendre si les armes nucléaires du pays restent fiables, malgré des décennies de stockage.

"Nous utilisons ces expériences pour obtenir des données expérimentales à comparer à nos simulations", explique Herrmann, qui supervise également la recherche sur les armes nucléaires au laboratoire. De plus, il dit que le rayonnement des explosions peut être utilisé pour tester les composants. De tels essais permettront de s'assurer que les pièces neuves et remises à neuf des armes nucléaires se comportent comme prévu.

Même après la réalisation de l'année dernière, il restait encore un objectif à atteindre : produire plus de puissance à partir de la minuscule capsule que les lasers mis en place.

Herrmann dit que le tir d'août 2021 a donné à l'équipe un point de départ. "Cela nous a mis sur le seuil", dit-il. "Nous avons en fait fait beaucoup de progrès au cours de la dernière année." Des améliorations constantes des lasers, des cibles et d'autres composants ont progressivement mis l'installation dans une position où elle pourrait enfin générer de l'énergie à partir de la capsule.

Les scientifiques zappent une cible de la taille d'une gomme à crayon. Jason Laurea/LLNL/NNSA masquer la légende

Les scientifiques zappent une cible de la taille d'une gomme à crayon.

"C'est une grande étape scientifique", déclare Ryan McBride, ingénieur nucléaire à l'Université du Michigan. Mais, ajoute McBride, cela ne signifie pas que le NIF lui-même produit de l'électricité. D'une part, dit-il, les lasers nécessitent plus de 300 mégajoules d'électricité pour produire environ 2 mégajoules de lumière laser ultraviolette. En d'autres termes, même si l'énergie des réactions de fusion dépasse l'énergie des lasers, elle ne représente encore qu'environ 1 % de l'énergie totale utilisée.

De plus, il faudrait de nombreuses capsules explosant encore et encore pour produire suffisamment d'énergie pour alimenter le réseau électrique. "Vous devriez faire cela plusieurs fois par seconde", déclare McBride. Le NIF peut actuellement effectuer environ un "coup" laser par semaine.

Pourtant, le potentiel à long terme est stupéfiant, déclare Arati Dasgupta, scientifique nucléaire au US Naval Research Laboratory. Alors qu'un tas géant de charbon crachant du carbone pourrait produire de l'électricité pendant quelques minutes, la même quantité de combustible de fusion pourrait faire fonctionner une centrale électrique pendant des années, sans émission de dioxyde de carbone. "C'est une excellente démonstration de la possibilité", a déclaré Dasgupta. Mais, ajoute-t-elle, de nombreux problèmes techniques subsistent. "C'est une entreprise énorme."

Et obtenir une puissance économique d'un réacteur à fusion est encore plus difficile, dit Roulstone. Lui et son équipe ont examiné une technologie concurrente connue sous le nom de tokamak et ont conclu qu'il y avait encore un nombre énorme de défis à relever pour que la fusion fonctionne de manière économique. Son analyse a estimé que la fusion ne sera pas prête pour le réseau avant la seconde moitié de ce siècle. Il pense que le même calendrier s'applique à la technologie du NIF. "Il n'est pas très facile de voir comment vous pouvez rapidement transformer cela en un réacteur de puissance", dit-il.

D'ici là, la plupart des experts du climat pensent que le monde devra déjà avoir procédé à des réductions drastiques des émissions de carbone pour éviter les pires effets du changement climatique. Pour limiter le réchauffement à 2,7 degrés Fahrenheit d'ici la fin du siècle, le monde doit réduire de près de moitié sa production de carbone d'ici 2030 - une échelle de temps beaucoup plus courte que ce qui est nécessaire pour développer la fusion.

Betti convient que le calendrier de construction d'une usine de fusion est "certainement des décennies". Mais, ajoute-t-il, cela pourrait changer. "Il y a toujours une possibilité de percée", dit-il. Et les nouveaux résultats du NIF pourraient contribuer à accélérer cette percée. "Vous allez amener plus de gens à se pencher sur cette forme de fusion, pour voir si nous pouvons la transformer en un système de production d'énergie."

Rebecca Hersher de NPR a contribué à ce rapport.

Une version antérieure de cette histoire citait à tort Mark Herrmann disant que le Lawrence Livermore National Laboratory travaillait sur la fusion nucléaire à l'aide de lasers depuis près de 16 ans. Le laboratoire y travaille depuis près de 60 ans.

14 décembre 2022

Une version antérieure de cette histoire décrivait le "gain" de l'expérience de fusion comme étant de 150 %. La puissance totale de la réaction de fusion était de 150 % de la puissance injectée par les lasers, ce qui représente un gain global de 50 %. Le langage de l'histoire a été mis à jour pour clarifier le résultat.