Fusion nucléaire : Comment les scientifiques peuvent s’améliorer après la dernière percée
Des scientifiques américains ont annoncé ce qu’ils ont appelé une percée majeure dans la réalisation d’un objectif longtemps insaisissable, à savoir la création d’énergie à partir de la fusion nucléaire.
Chambre cible de l’installation nationale d’allumage du Lawrence Livermore National Laboratory. U.S. Department of Energy
Des scientifiques américains ont annoncé ce qu’ils ont appelé une percée majeure dans un objectif longtemps insaisissable de création d’énergie à partir de la fusion nucléaire.
Le ministère américain de l’énergie a déclaré le 13 décembre 2022 que pour la première fois – et après plusieurs décennies d’efforts – les scientifiques ont réussi à obtenir plus d’énergie du processus qu’ils n’en ont mis.
Mais quelle est l’importance de cette évolution ? Et dans quelle mesure le rêve longtemps caressé de voir la fusion fournir une énergie abondante et propre est-il encore loin ? Carolyn Kuranz, professeur associé de génie nucléaire à l’université du Michigan, qui a travaillé dans l’installation qui vient de battre le record de fusion, nous aide à expliquer ce nouveau résultat.
Que s’est-il passé dans la chambre de fusion ?
La fusion est une réaction nucléaire qui combine deux atomes pour créer un ou plusieurs nouveaux atomes dont la masse totale est légèrement inférieure. La différence de masse est libérée sous forme d’énergie, comme le décrit la célèbre équation d’Einstein, E = mc2 , où l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. La vitesse de la lumière étant énorme, la conversion d’une infime quantité de masse en énergie – comme c’est le cas lors de la fusion – produit une quantité d’énergie tout aussi énorme.
Des chercheurs du National Ignition Facility du gouvernement américain, en Californie, ont démontré, pour la première fois, ce que l’on appelle “l’allumage par fusion”. On parle d’allumage lorsqu’une réaction de fusion produit plus d’énergie qu’elle n’en reçoit d’une source extérieure et qu’elle s’auto-entretient.
La technique utilisée au National Ignition Facility consistait à tirer 192 lasers sur une pastille de 1 mm de combustible composé de deutérium et de tritium – deux versions de l’élément hydrogène avec des neutrons supplémentaires – placée dans une boîte en or. Lorsque les lasers frappent la boîte, ils produisent des rayons X qui chauffent et compriment la pastille de combustible jusqu’à ce qu’elle atteigne environ 20 fois la densité du plomb et plus de 3 millions de degrés Celsius, soit environ 100 fois plus que la surface du Soleil. Si vous pouvez maintenir ces conditions pendant une période suffisamment longue, le combustible fusionnera et libérera de l’énergie.
Le combustible et la cartouche se vaporisent en quelques milliardièmes de seconde au cours de l’expérience. Les chercheurs espèrent alors que leur équipement a survécu à la chaleur et a mesuré avec précision l’énergie libérée par la réaction de fusion.
Alors, qu’ont-ils accompli ?
Pour évaluer le succès d’une expérience de fusion, les physiciens examinent le rapport entre l’énergie libérée par le processus de fusion et la quantité d’énergie contenue dans les lasers. Ce rapport est appelé gain.
Tout ce qui dépasse un gain de 1 signifie que le processus de fusion a libéré plus d’énergie que les lasers n’en ont délivré.
Le 5 décembre 2022, le National Ignition Facility a injecté dans une pastille de combustible 2 millions de joules d’énergie laser, soit la puissance nécessaire pour faire fonctionner un sèche-cheveux pendant 15 minutes, le tout en quelques milliardièmes de seconde. Cela a déclenché une réaction de fusion qui a libéré 3 millions de joules. Cela représente un gain d’environ 1,5, pulvérisant le précédent record d’un gain de 0,7 obtenu par l’installation en août 2021.
Quelle est l’importance de ce résultat ?
L’énergie de fusion est le “Saint Graal” de la production d’énergie depuis près d’un demi-siècle. Si un gain de 1,5 est, à mon sens, une avancée scientifique véritablement historique, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que la fusion ne devienne une source d’énergie viable.
Bien que l’énergie laser de 2 millions de joules soit inférieure au rendement de fusion de 3 millions de joules, il a fallu à l’installation près de 300 millions de joules pour produire les lasers utilisés dans cette expérience. Ce résultat a montré que l’allumage par fusion est possible, mais il faudra beaucoup de travail pour améliorer l’efficacité au point que la fusion puisse fournir un rendement énergétique positif net en prenant en compte l’ensemble du système de bout en bout, et pas seulement une seule interaction entre les lasers et le combustible.
Que faut-il améliorer ?
Il existe un certain nombre de pièces du puzzle de la fusion que les scientifiques améliorent régulièrement depuis des décennies pour obtenir ce résultat, et des travaux supplémentaires peuvent rendre ce processus plus efficace.
Tout d’abord, les lasers n’ont été inventés qu’en 1960. Lorsque le gouvernement américain a achevé la construction du National Ignition Facility en 2009, il s’agissait de l’installation laser la plus puissante au monde, capable de délivrer 1 million de joules d’énergie à une cible. Les 2 millions de joules qu’il produit aujourd’hui sont 50 fois plus énergétiques que le deuxième laser le plus puissant de la planète. Des lasers plus puissants et des moyens moins énergivores de produire ces lasers puissants pourraient améliorer considérablement l’efficacité globale du système.
Les conditions de fusion sont très difficiles à maintenir, et toute petite imperfection dans la capsule ou le combustible peut augmenter les besoins en énergie et diminuer l’efficacité. Les scientifiques ont fait beaucoup de progrès pour transférer plus efficacement l’énergie du laser à la cartouche et le rayonnement X de la cartouche à la capsule de combustible, mais actuellement, seuls 10 à 30 % de l’énergie totale du laser sont transférés à la cartouche et au combustible.
Enfin, si une partie du combustible, le deutérium, est naturellement abondante dans l’eau de mer, le tritium est beaucoup plus rare. La fusion elle-même produit du tritium. Les chercheurs espèrent donc développer des moyens de récolter directement ce tritium. En attendant, il existe d’autres méthodes pour produire le combustible nécessaire.
Ces obstacles, ainsi que d’autres obstacles scientifiques, technologiques et techniques, devront être surmontés avant que la fusion ne produise de l’électricité pour votre maison. Il faudra également travailler pour que le coût d’une centrale à fusion soit bien inférieur aux 3,5 milliards de dollars US du National Ignition Facility. Ces étapes nécessiteront des investissements importants de la part du gouvernement fédéral et de l’industrie privée.
Il convient de noter qu’il existe une course mondiale autour de la fusion, avec de nombreux autres laboratoires dans le monde qui poursuivent différentes techniques. Mais avec les nouveaux résultats du National Ignition Facility, le monde a, pour la première fois, la preuve que le rêve de la fusion est réalisable.
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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche
