Fusion nucléaire : un laboratoire américain est sur le point d'atteindre un objectif clé

Un institut scientifique américain est sur le point d'atteindre un objectif de longue date dans la recherche sur la fusion nucléaire.

Le National Ignition Facility utilise un laser puissant pour chauffer et comprimer l'hydrogène, ce qui déclenche la fusion.

Une expérience suggère que l'objectif de l'"ignition", où l'énergie libérée par la fusion dépasse celle fournie par le laser, est désormais à portée de main.

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L'exploitation de la fusion, le processus qui alimente le Soleil, pourrait fournir une source d'énergie propre et illimitée.

Dans un processus appelé fusion par confinement inertiel, 192 faisceaux du laser du NIF - le laser le plus puissant du monde - sont dirigés vers une capsule de la taille d'un grain de poivre contenant du deutérium et du tritium, qui sont des formes différentes de l'élément hydrogène.

Le combustible est alors comprimé à une densité 100 fois supérieure à celle du plomb et chauffé à 100 millions de degrés Celsius, soit une température supérieure à celle du centre du Soleil.

Ces conditions permettent de déclencher la fusion thermonucléaire.

Une expérience réalisée le 8 août a permis d'obtenir 1,35 mégajoule (MJ) d'énergie, soit environ 70 % de l'énergie laser fournie à la capsule de combustible.

Atteindre l'allumage signifie obtenir un rendement de fusion supérieur aux 1,9 MJ fournis par le laser.

"C'est une avancée considérable pour la fusion et pour l'ensemble de la communauté de la fusion", dit à BBC News Debbie Callahan, physicienne au Lawrence Livermore National Laboratory, qui héberge le NIF.

Pour mesurer les progrès accomplis, le rendement de l'expérience de ce mois-ci est huit fois supérieur au précédent record du NIF, établi au printemps 2021, et 25 fois supérieur au rendement des expériences menées en 2018.

"Le rythme de l'amélioration du rendement énergétique a été rapide, ce qui suggère que nous pourrions bientôt atteindre d'autres étapes énergétiques, comme le dépassement de l'apport énergétique des lasers utilisés pour lancer le processus", explique le professeur Jeremy Chittenden, codirecteur du Centre for Inertial Fusion Studies à l'Imperial College de Londres.

Les scientifiques du FNI pensent également avoir atteint ce que l'on appelle un "plasma brûlant", c'est-à-dire que les réactions de fusion elles-mêmes fournissent la chaleur nécessaire à une nouvelle fusion.

Ce phénomène est essentiel pour que le processus s'auto-entretienne.

"La combustion auto-entretenue est essentielle pour obtenir un rendement élevé", explique le Dr Callahan.

"L'onde de combustion doit se propager dans le combustible à haute densité afin d'obtenir une grande quantité d'énergie de fusion".

"Nous pensons que cette expérience se situe dans ce régime, bien que nous fassions encore des analyses et des simulations pour être sûrs de comprendre le résultat."

L'étape suivante, selon le Dr Callahan, consistera à répéter les expériences.

"C'est un aspect fondamental de la science expérimentale. Nous devons comprendre dans quelle mesure les résultats sont reproductibles et sensibles à de petits changements", dit-elle.

"Après cela, nous avons des idées pour améliorer cette conception et nous commencerons à y travailler l'année prochaine."

Le professeur Chittenden explique : "le mégajoule d'énergie libéré lors de l'expérience est effectivement impressionnant en termes de fusion, mais en pratique, cela équivaut à l'énergie nécessaire pour faire bouillir une bouilloire."

"Des énergies de fusion bien plus élevées peuvent être obtenues par allumage si nous parvenons à maintenir le combustible ensemble plus longtemps, afin d'en brûler davantage. Ce sera le prochain horizon de la fusion par confinement inertiel", ajoute-t-il.

L'énergie nucléaire actuelle repose sur un processus appelé fission, dans lequel un élément chimique lourd est divisé pour produire des éléments plus légers.

La fusion fonctionne en combinant deux éléments légers pour obtenir un élément plus lourd.

La construction de la National Ignition Facility a commencé en 1997 et s'est achevée en 2009. Les premières expériences visant à tester la puissance du laser ont débuté en octobre 2010.

L'autre fonction du NIF est de contribuer à garantir la sécurité et la fiabilité du stock d'armes nucléaires des États-Unis.

Parfois, les scientifiques qui veulent utiliser l'énorme laser pour la fusion ont vu leur temps comprimé par des expériences axées sur la sécurité nationale.

Mais en 2013, la BBC a rapporté que lors d'expériences menées au NIF, la quantité d'énergie libérée par la fusion avait dépassé la quantité d'énergie absorbée par le combustible - une percée et une première pour toute installation de fusion dans le monde.

Les résultats de ces tests ont ensuite été publiés dans la revue Nature.

Le NIF est l'un des nombreux projets dans le monde visant à faire progresser la recherche sur la fusion.

Parmi ceux-ci figure l'installation Iter, d'une valeur de plusieurs milliards d'euros, actuellement en construction à Cadarache, en France.

Iter adoptera une approche différente de la fusion par laser du NIF.

L'installation située dans le sud de la France utilisera des champs magnétiques pour contenir le plasma chaud, un gaz chargé d'électricité.

Ce concept est connu sous le nom de fusion par confinement magnétique (MCF).

Mais la construction d'installations de fusion commercialement viables, capables de fournir de l'énergie au réseau, nécessitera un autre pas de géant.

"La transformation de ce concept en une source d'énergie électrique renouvelable sera probablement un processus de longue haleine et nécessitera de surmonter des défis techniques importants, tels que la capacité de recréer cette expérience plusieurs fois par seconde pour produire une source d'énergie constante", affirme le professeur Chittenden.