La plupart des technologies de production d'énergie utilisées aujourd'hui ne sont pas durables, car elles causent des dommages importants à l'environnement naturel de notre planète. Depuis quelques années, les scientifiques du monde entier tentent ainsi d'imaginer des solutions énergétiques alternatives qui tirent parti de ressources abondantes et naturelles.
En plus des solutions d'énergie solaire, d'énergie éolienne et d'énergie de l'eau de mer, certains physiciens et ingénieurs ont exploré la possibilité de s'approvisionner en énergie à partir de réactions de fusion nucléaire. C'est le processus par lequel deux noyaux atomiques se combinent pour former un noyau plus lourd et un neutron énergétique.
Deux équipes de recherche travaillant au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont démontré de nouvelles approches pour augmenter la production d'énergie nucléaire via une réaction de fusion par laser. Leurs découvertes, publiées dans des articles récents sur Nature et Nature Physics, ouvrent de nouvelles possibilités passionnantes pour utiliser un jour des plasmas auto-chauffants comme sources d'énergie durables.
"Le récent article de Nature et l'article d'accompagnement d'Annie Kritcher et al. rapportent les résultats de l'application d'une stratégie d'amélioration des performances de fusion que notre équipe a élaborée et présentée à la communauté de la fusion par confinement inertiel il y a environ quatre ans", Omar A Hurricane, scientifique en chef du programme Inertial Confinement Fusion au LLNL, a déclaré à Phys.org.
Cette stratégie, s'appuyant sur des décennies de travaux antérieurs dans la recherche sur la fusion inertielle, appelait à augmenter considérablement la taille de la capsule de combustible dans la cible de fusion, ce qui augmente le contenu énergétique du combustible de fusion et réduit le taux de refroidissement. Ce travail, baptisé «conception d'implosion à grand rayon à haut rendement» (HYBRID), a servi de point de départ aux dernières expériences des chercheurs.
"Le travail présenté dans Nature Physics s'est appuyé sur ce travail, cette compréhension et cette technologie précédents, mais a résolu un nouveau défi technique consistant à fournir initialement plus d'énergie au plasma chaud pour générer suffisamment de réactions de fusion pour que la fusion aide finalement à réchauffer le plasma ", a déclaré Annie Kritcher, l'une des principales chercheuses impliquées dans l'étude, à Phys.org. "Pour ce faire, la taille de l'implosion a été agrandie, ce qui a posé une variété de défis techniques."
Bien que Hurricane, Kritcher et leurs équipes du Lawrence Livermore National Laboratory aient précédemment démontré le potentiel de la stratégie HYBRIDE, ils ont également constaté qu'elle présentait une série de limites. Plus particulièrement, lors de la mise en œuvre de la conception HYBRIDE, ils ont eu du mal à maintenir les propriétés liées à la stabilité, la vitesse d'implosion et le contrôle de la symétrie qu'ils ont obtenus en utilisant des implosions de capsule plus petites, car l'énergie laser s'est rapidement épuisée.
"Au fur et à mesure que la capsule grossit, nous avons besoin de plus d'énergie pour provoquer l'implosion", note Chris Young, un autre auteur principal de l'étude. "Puisque nous maximisons déjà le laser NIF, nous devons faire preuve de créativité pour augmenter l'efficacité du" hohlraum "qui convertit les photons laser en rayons X qui provoquent l'implosion."
Dans leur expérience, Kritcher et son équipe ont projeté des faisceaux laser à l'intérieur d'une boîte dorée, produisant un "four à rayonnement" à rayons X. Ce «four» a ensuite été utilisé pour chauffer l'extérieur d'une capsule contenant le combustible de fusion et ablater le matériau vers l'extérieur, produisant une force de compression vers l'intérieur sur le combustible qui provoque finalement l'implosion de l'échantillon sous des pressions extrêmes. Le maintien d'une implosion à symétrie sphérique est essentiel pour obtenir de bonnes performances.
"A ces hautes pressions, des réactions de fusion se produisent et un produit de ces réactions est réabsorbé, ce qui chauffe davantage le plasma (auto-échauffement)", a expliqué Kritcher. "Les progrès réalisés dans ce travail nous ont permis de provoquer des implosions à plus grande échelle qui ont fourni plus de réactions de fusion initiales et plus d'auto-échauffement. Lorsque l'auto-échauffement est supérieur au travail nécessaire pour démarrer les réactions de fusion, le plasma a commencé à brûler."
Grâce à leur conception expérimentale unique, les deux équipes ont finalement réussi à inciter le plasma à "se réchauffer". Cela pourrait finalement aider à produire des réactions de fusion plus importantes, sans nécessiter d'équipement plus avancé et coûteux.
"L'obtention d'un état de "plasma brûlant" est un objectif pour la communauté de recherche sur la fusion depuis des décennies et c'est une étape nécessaire vers des niveaux encore plus élevés de performances de fusion", a expliqué Hurricane. "L'obtention d'un plasma brûlant signifie que nous nous rapprochons du point de basculement de l'allumage par fusion."
Les travaux récents du Lawrence Livermore National Laboratory constituent un énorme pas en avant pour la communauté des chercheurs explorant les réactions de fusion nucléaire. En plus de résoudre un problème de recherche de longue date dans le domaine, il pourrait à terme faciliter l'introduction de solutions énergétiques alternatives basées sur des plasmas auto-échauffants.
"Pouvoir accéder à ce régime permet l'étude de ces plasmas extrêmes et constitue une première étape critique dans l'objectif ultime d'atteindre l'allumage et des gains d'énergie élevés", a déclaré Kritcher. "Nos futurs travaux comprendront des améliorations de la conception de la cible, afin d'augmenter encore la quantité de fusion initiale et la réabsorption des produits de fusion pour conduire à des gains plus élevés. Enfin, nous étudierons également ces nouveaux systèmes plasma."
Dans leurs prochaines études, les deux équipes prévoient d'étudier plus en profondeur l'état de combustion du plasma qu'elles ont observé, afin de mieux comprendre la physique qui le sous-tend. De plus, ils aimeraient améliorer la robustesse de leur conception, par exemple en réduisant sa variabilité d'un coup à l'autre.
"Les expériences de fusion par confinement inertiel au NIF ont fait des progrès constants sur une décennie pour étudier les défis liés à l'obtention des conditions de plasma (pressions de centaines de milliards d'atmosphères) requises pour qu'une fusion significative se produise et pour surmonter ces défis", a ajouté Hurricane. "Nous continuerons à pousser pour des niveaux plus élevés de performances de fusion, en nous appuyant sur ce que nous avons appris jusqu'à présent."
Explorer davantage
Des chercheurs au bord de l'allumage par fusion au National Ignition FacilityPlus d'informations :A. B. Zylstra et al, Plasma brûlant réalisé en fusion inertielle, Nature (2022).DOI : 10.1038/s41586-021-04281-w
A. L. Kritcher et al, Conception d'implosions de fusion inertielle atteignant le régime de plasma brûlant, Nature Physics (2022).DOI : 10.1038/s41567-021-01485-9
O A Hurricane et al, Beyond alpha-heating: driving inertially limited fusion implosions into a burning-plasma state on the National Ignition Facility, Plasma Physics and Controlled Fusion (2018).DOI : 10.1088/1361-6587/aaed71
R. Betti et al, Alpha Heating and Burning Plasmas in Inertial Confinement Fusion, Physical Review Letters (2015).DOI : 10.1103/PhysRevLett.114.255003
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Citation : De nouvelles études mettent en évidence le potentiel des plasmas auto-chauffants pour l'énergie de fusion (17 février 2022) récupéré le 20 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-02-highlight-potential -self-heating-plasmas-fusion.htmlCe document est soumis au droit d'auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d'étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l'autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.
