La fusion à haute température alimente le Soleil et, si elle est maîtrisée, pourrait fournir une source potentielle d’énergie sur Terre. Mais contrôler les réactions de fusion présente d’autres avantages. Le processus génère également des particules subatomiques appelées neutrons, utilisées dans diverses applications allant de la médecine à la recherche et à la sécurité nationale.
Désormais, des scientifiques de l’Université de Californie à Davis et du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l’Énergie (Berkeley Lab) ont découvert que les matériaux entourant une réaction de fusion peuvent augmenter considérablement sa fréquence, en particulier à faible énergie où la fusion est rare.
Leur approche établit une méthode pour étudier et concevoir des réactions nucléaires au sein de matériaux solides, ouvrant un nouveau champ de « fusion pilotée par les matériaux ». Au lieu de concevoir des matériaux simplement pour résister aux conditions extrêmes de la fusion, les chercheurs pourraient être en mesure de concevoir des matériaux qui amplifient la réaction dans des conditions spécifiques, à la manière des catalyseurs qui accélèrent les processus chimiques.
« Cela vous donne un nouveau bouton à tourner que vous n’aviez pas avant », explique Arun Persaud, coauteur et responsable du groupe Fusion Science & Ion Beam Technology à la division ATAP du Berkeley Lab. « Si nous comprenons mieux cet effet, cela ouvre la voie à la conception de nouveaux matériaux qui affecteraient le taux de fusion dans certaines conditions. Un jour, les progrès futurs pourraient permettre de créer des générateurs de neutrons plus compacts et plus efficaces, avec toutes sortes d’applications comme le contrôle des marchandises, la science planétaire, la thérapie médicale et l’imagerie. »
Dans l’expérience, les chercheurs ont utilisé deux méthodes différentes pour incorporer du deutérium – une forme lourde d’atomes d’hydrogène souvent utilisée dans la fusion – dans de fines feuilles de palladium et de titane. Ils ont ensuite projeté un faisceau d’ions deutérium sur les feuilles à différentes énergies et mesuré la fréquence de fusion. Ils ont comparé les taux obtenus avec différents matériaux et méthodes à la réaction de fusion « nue » (hors matériau).
Un plateau de fusion surprenant
L’équipe a constaté que les taux de fusion dépendaient de la manière dont le deutérium était chargé dans les feuilles métalliques. L’effet le plus marquant se situait aux plus faibles énergies, en dessous de 2,5 kiloelectronvolts (keV), où la théorie prédit une chute brutale des taux de fusion. Au lieu de cela, les chercheurs ont découvert un plateau surprenant : certains échantillons présentaient des taux de fusion environ un quintillion de fois plus élevés que les réactions de fusion nues. (Un quintillion est un 1 suivi de 18 zéros.)
Les chercheurs ne savent pas exactement pourquoi cela se produit, même s’ils ont quelques idées et des moyens de les tester. Les électrons et les défauts au sein du matériau pourraient partiellement écranter les forces électrostatiques répulsives entre les noyaux de deutérium, facilitant ainsi leur rapprochement et leur fusion. Ajuster la structure électronique, les défauts et la composition des matériaux pourrait aider à provoquer plus facilement des réactions nucléaires.
« Il s’agit de mieux comprendre le mécanisme afin de pouvoir tenter de l’améliorer », déclare l’auteur correspondant Jeremy Munday, professeur à l’UC Davis au College of Engineering. « Nous avons constaté que nous pouvons augmenter les taux de fusion, mais quelle est la limite ? Pouvons-nous atteindre des températures ou énergies plus basses ? Il y a évidemment beaucoup d’intérêt et d’excitation autour de la fusion, donc si nous pouvons apprendre quelque chose sur la physique à ces échelles d’énergie plus faibles, nous pourrons peut-être le transposer à d’autres domaines de la science nucléaire. »
L’équipe prévoit d’explorer une plus large gamme de matériaux et de continuer à sonder le plateau de fusion inattendu à des énergies plus basses. Leurs travaux établissent une plateforme expérimentale reproductible pour étudier comment les matériaux solides influencent les réactions nucléaires, créant ainsi un nouveau domaine de recherche reliant la science de la fusion à la science des matériaux et à la chimie.
« Ces travaux montrent de manière concluante que l’environnement matériel dans lequel se produit la fusion à basse température est un participant actif, et non un contenant passif », ajoute Cameron Geddes, coauteur et directeur de l’ATAP. « Cela ajoute une nouvelle dimension à la recherche sur la fusion. »
Le premier auteur de l’étude est Micah Karahadian, doctorant dans le laboratoire de Munday à l’UC Davis.
Article : Enhanced nuclear fusion in the sub-keV energy regime – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : UC Davis
