La fusion nucléaire pourrait potentiellement fournir une énergie abondante et sûre sans la production importante d'émissions de gaz à effet de serre ou de déchets nucléaires.Mais il est resté frustrant et insaisissable comme technologie pratique pendant des décennies.Une étape importante envers cet objectif a maintenant été passé: une réaction de fusion qui dérive la majeure partie de sa chaleur de ses réactions nucléaires elles-mêmes plutôt que l'énergie pompée dans le carburant de l'extérieur.
Une équipe du National Ignition Facility (NIF) au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie a signalé cette condition de plasma soi-disant en utilisant une approche appelée fusion de confinement inertieUn carburant des isotopes d'hydrogène est produit par des impulsions intenses de lumière laser. The researchers’ findings appear in Nature, with companion papers published in Nature Physics and on the preprint repository arXiv.org.«Les données montrent clairement qu'elles ont atteint cette condition», explique le physicien de la fusion George Tynan de l'Université de Californie à San Diego, qui n'était pas impliqué dans l'œuvre.
«Les résultats du NIF sont vraiment un gros problème», explique le physicien de la fusion Peter Norreys de l'Université d'Oxford, qui ne faisait pas partie des études.«Ils montrent que la poursuite d'un réacteur de fusion inertielle est une possibilité réaliste pour l'avenir et non construite sur une physique difficile et insurmontable.»La physicienne du plasma Kate Lancaster de l'Université de York en Angleterre, qui n'était pas non plus impliquée dans la recherche, est d'accord.«Il s'agit d'une réalisation incroyable, qui est un point culminant d'une décennie de recherche minutieuse et progressive», dit-elle.
La fusion nucléaire, le processus qui alimente les étoiles et qui est déclenché de manière explosive dans des bombes d'hydrogène, nécessite une chaleur et une pression extrêmes pour donner suffisamment d'énergie aux atomes pour surmonter la répulsion électrostatique entre leurs noyaux chargés positivement afin qu'ils puissent fusionner et libérer de l'énergie.Le carburant habituel pour la production de fusion contrôlée dans les réacteurs consiste en un mélange des isotopes hydrogène lourds de dueuterium et du tritium, qui peuvent s'unir pour faire de l'hélium.L'énergie que cette libération peut être exploitée pour la production d'électricité - par exemple, en utilisant la chaleur pour conduire des turbines électriques conventionnelles.Contrairement à la fission nucléaire - le processus utilisé dans toutes les centrales nucléaires aujourd'hui - Fusion n'utilise ni ne génère de grandes quantités de matières radioactives à longue durée de vie.Et contrairement à la fission, la fusion n'implique pas de réaction en chaîne, ce qui la rend intrinsèquement plus sûre: toute modification des conditions de travail d'un réacteur de fusion le fera automatiquement fermer en un instant.
L'avantage de la fission est qu'il se produit généralement dans les réacteurs à des températures d'un peu plus de 1 000 Kelvins, tandis que la fusion de deutérium-tritium (D-T) commence à des températures d'environ 100 millions de kelvins - obstacle que le cœur du soleil.Gérer un tel plasma bouillonnant, c'est le dire légèrement, extrêmement difficile.Une approche consiste à le confiner avec des champs magnétiques en forme de beignet à l'intérieur d'une chambre appelée tokamak.Il s'agit de la méthode de choix pour de nombreux projets de fusion, y compris le réacteur expérimental thermonucléaire international (ITER).pour lequel une collaboration mondiale construit un réacteur expérimental massif en France qui devrait atteindre une fusion soutenue au début de 2035.
La fusion inertielle n'essaie pas de piéger le plasma, mais s'appuie plutôt sur l'inertie seule pour le maintenir ensemble pendant un bref instant après que la fusion soit déclenchée par une compression ultra-rapide du carburant.Cela crée une très brève explosion d'énergie - une minuscule explosion thermonucléaire - avant que le carburant brûlant se développe et dissipe sa chaleur.«Les schémas d'énergie de fusion basés sur le confinement inertiel impliquent de répéter le processus pulsé encore et encore, un peu comme les pistons dans un moteur à combustion interne, tirant plusieurs fois par seconde pour donner une puissance presque continue», explique Omar Hurricane de LLNL, scientifique en chef pour leProgramme de fusion de confinement inertielle de NIF, qui était un chef d'équipe pour les dernières expériences.
Bien que la fusion de confinement inertielle n'ait pas à résoudre le problème du maintien d'un plasma chaud et bancal à l'intérieur d'un tokamak, il nécessite d'énormes entrées d'énergie pour déclencher le processus de fusion.L'équipe NIF a utilisé 192 lasers haute puissance, tous concentrés dans une chambre appelée hohlraum qui représente la taille et la forme d'une gamme de crayon et contient la capsule de carburant du deutérium et du tritium.L'énergie laser chauffe et vaporise la couche externe de la capsule, la soufflant et créant un recul qui comprime et chauffe le carburant au centre.Dans la méthode NIF, les faisceaux laser ne déclenchent pas directement des détonations mais frappent plutôt la surface intérieure du Hohlraum, libérant un bain furieux de radiographies compressant la capsule dans la petite chambre.
Les chercheurs ont démontré la faisabilité du démarrage de la fusion de cette façon dans les années 1970.Mais se rendre au point de burn-plasma a été un processus lent, plein d'obstacles techniques et de revers techniques.«Depuis de nombreuses décennies, les chercheurs ont pu obtenir des réactions en utilisant beaucoup de chauffage externe pour faire chaud au plasma», explique Alex Zylstra de LLNL, membre de l'équipe NIF.«Dans un plasma brûlant, que nous avons maintenant créé pour la première fois, les réactions de fusion elles-mêmes fournissent la majeure partie du chauffage."Ces conditions ne durent que pendant environ 100 milliards de dollars de seconde avant que l'énergie du plasma ne soit dissipée.
«Il n'y avait pas de secret qui leur a permis de faire cette percée, mais tout un tas de plus petites avancées», dit Tynan.Pour avoir un espoir de faire en sorte que le processus de fusion se maintient lui-même, l'énergie qu'elle produit devrait être déposée principalement dans les couches de carburant adjacentes plutôt que de fuir la capsule pour chauffer l'environnement.Cela signifie que la capsule doit être suffisamment grande et dense pour maintenir l'énergie à l'intérieur tout en s'effondrer symétriquement - qui est l'un des problèmes que l'équipe NIF a fissuré.Les chercheurs ont également modifié la conception de Hohlraum pour s'assurer que son intérieur se remplit uniformément de rayons X, créant finalement une implosion plus lisse, plus forte et plus efficace de la capsule de carburant.«Nous avons dû apprendre à mieux contrôler la symétrie tout en agrandissant l'implosion», explique l'ouragan.De telles améliorations ont nécessité des décennies d'effort."Ce fut un processus d'essai et d'erreur très long, guidé par des calculs", dit Tynan.
Parmi les séries expérimentales que les chercheurs du NIF ont signalées, quatre réalisées en 2020 et au début de 2021 ont dépassé la production de fusion de seuil pour un plasma brûlant.Les plus récents d'entre eux étaient en février 2021, donc «il leur a clairement pris un peu de temps pour convaincre ses collègues de la validité de leurs résultats», explique Vladimir Tikhonchuk, physicien en plasma à l'Université de Bordeaux en France, qui n'a pas été impliqué avec avecl'oeuvre.Mais ils l'ont évidemment fait.«Je crois vraiment que la publication de ces articles est un événement scientifique important», ajoute Tikhonchuk.
Rendre la fusion viable nécessite plus que du simple plasma brûlant, cependant.D'une part, bien que le plasma soit auto-chauffant, il pourrait encore rayonner plus de chaleur qu'il n'en génère, y compris l'énergie perdue lorsque l'implosion se sépare après avoir atteint la compression de pic."Même si vous avez brûlé, la réaction s'évanouit si les pertes radiatives sont trop élevées", dit Tynan.Mais l'équipe NIF note que, dans l'une de ses courses, le chauffage a dépassé ces pertes.
Cela rapproche les scientifiques du prochain grand objectif: l'allumage, où la libération nette d'énergie de la réaction de fusion dépasse l'énergie injectée pour la produire.En moyenne, ils peuvent produire environ 0.17 Megajoule d'énergie de fusion pour une énergie laser d'entrée de 1.9 mégajoules.En d'autres termes, ces tirs NIF canalisent l'équivalent énergique d'un demi-kilogramme d'explosion de TNT dans le minuscule hohlraum pour obtenir environ 10 fois moins d'énergie.Mais c'est encore assez proche du seuil de rentabilité pour faire allumer les chercheurs de fusion.«Ils ont raison sur le seuil de réalisation d'une brûlure de propagation d'allumage», dit Tynan.
Lancaster est optimiste à ce sujet.«Nous sommes maintenant dans un régime où des améliorations modestes peuvent créer des gains massifs d'énergie de sortie», dit-elle.«Nous sommes définitivement passés d'un« si »à un« quand »pour l'allumage."
Même atteindre l'allumage ne serait que la fin du début pour la fusion.D'une part, le gain d'énergie net doit non seulement être démontré mais également amélioré pour compenser les inefficacités dans la conversion de la chaleur en électricité.De meilleures méthodes doivent également être développées pour la production sur place et la manipulation du tritium à utiliser comme carburant.Et dans le cas spécifique de la fusion de confinement inertie. “Right now they cost $1 million and are custom pieces of kit made in the lab," Tynan says.Mais pour que toute centrale de fusion inertielle révèle un profit, «vous devez pouvoir en faire des centaines de milliers par jour à 10 cents la pièce." And these spectacular results for burning plasma in inertial confinement “do not really translate to tokamaks" at all, Hurricane warns.
“People working in this domain understand very well that there is a large gap between the [eventual] demonstration of ignition and a commercial fusion reactor," Tikhonchuk says.Cet écart ne sera certainement pas fermé au NIF, qui vise à explorer la physique de base de la fusion, en particulier dans le contexte de la gestion des stocks nucléaires et de la sécurité nationale. “We do not yet have lasers of a needed energy and power operating with a repetition rate of a few shots per second," Tikhonchuk adds—although Lancaster says that these “are well on the way, with big programs in the U.K., le u.S., France et Allemagne, par exemple."
“Now that NIF has demonstrated that [burning plasma conditions] can be done in a controlled laboratory setting," Norreys says, solutions to the remaining challenges “need to be studied in the coming years with renewed vigor."
“The challenge is [pivoting] from ‘Is the physics even possible?’ to ‘Can we engineer a viable system that has sufficient lifetime and that is safe enough and do all those things at an affordable price?’" Tynan says.«C'est toujours la grande question ouverte devant la communauté de recherche."
