Etats-Unis : un petit pas de plus vers la fusion nucléaire

La libération de l’énergie, issue du processus de fusion, égale ou supérieure à la quantité d’énergie utilisée pour comprimer le combustible – a longtemps été considérée comme le "Saint Graal" de la science de la fusion inertielle par confinement.

Une étape clé sur le chemin de la fusion est d’obtenir "des gains de combustible", où l’énergie produite par la fusion nucléaire devient supérieure à la quantité d’énergie injectée dans le combustible de fusion.

Bien que l’allumage reste le but ultime, l’étape pour réaliser des "gains de combustible" de plus de 1 a été atteint pour la première fois sur une installation. Dans un article publié le 12 février dans l’édition en ligne de la revue Nature, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont détaillé une série d’expériences concernant le National Ignition Facility (NIF), qui montrent une amélioration dans la performance du rendement par rapport aux expériences passées.

"Ce qui est vraiment intéressant, c’est que nous assistons à une augmentation de plus en plus régulière du rendement provenant du processus d’amorçage que nous poussons à l’implosion un peu plus à chaque fois", a déclaré l’auteur principal Omar Hurricane.

L’allumage arrive lorsque des particules alpha, des noyaux d’hélium produits dans le processus de fusion DT, exercent leur énergie sur le combustible deutérium-tritium (DT), plutôt que de s’échapper. Les particules alpha échauffent davantage le combustible, ce qui augmente la vitesse de réaction de fusion, produisant ainsi plus de particules alpha. Ce procédé de contre-réaction est le mécanisme qui conduit à l’allumage. Comme indiqué dans la revue nature, le processus d’amorçage a été démontré dans une série d’expériences dans lesquelles le rendement de fusion a été systématiquement augmenté de plus d’un facteur de 10 par rapport aux approches précédentes.

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"Nous mettons la capsule qui contient le combustible – une couche microscopique de deutérium et de tritium glacés – dans un cylindre d’un centimètre de long, puis nous effectuons un tir au laser pour déclencher la fusion", a ajouté Debbie Callahan, physicienne au NIF.

Comprimée par ce bombardement, la capsule devient 35 fois plus petite, "comme si on débutait l’expérience avec un ballon de basket et que l’on finissait avec un petit pois, à un point tel qu’elle implose et que le combustible s’effondre sur lui-même pour fusionner", a expliqué la chercheuse. "La pression générée sur ce tout petit point est 150 milliards de fois plus forte que celle de l’atmosphère terrestre, avec une densité 2,5 à 3 fois supérieure à celle qui règne au coeur du Soleil", a précisé à son tour Omar Hurricane.

La série expérimentale a été conçue avec soin afin d’éviter une rupture de la coque en plastique qui entoure et enferme le combustible DT. Il a été émis l’hypothèse que cette rupture était la source d’un rendement dégradé de fusion, observé lors des expériences passées. En modifiant l’impulsion laser utilisée pour comprimer le carburant DT, l’instabilité qui provoquait cette déchirure a été supprimée. Les rendements plus élevés ainsi obtenus ont confirmé l’hypothèse, et démontré l’apparition de l’allumage.

Les résultats expérimentaux ont identifié de meilleures simulations que les expériences informatiques précédentes, fournissant un point de référence important pour les modèles utilisés afin de prédire le comportement de la matière dans des conditions similaires à celles générées lors d’une explosion nucléaire, un objectif principal du NIF.

La mission principale du NIF est de fournir un aperçu expérimental de la fusion nucléaire contrôlée. Cette expérience représente donc une étape importante dans la démonstration que le stock peut être conservé en lieu sûr, sécurisé et fiable sans un retour à des essais nucléaires. L’allumage physique et la performance jouent également un rôle clé dans les sciences fondamentales, et pour les applications d’énergie potentielle.

"Il y a encore du travail à faire et des problèmes physiques qui doivent être résolus avant d’arriver au bout", a déclaré Omar Hurricane, "mais notre équipe travaille à relever tous ses défis, et c’est de quoi, l’équipe scientifique se nourrit."

En France, une installation similaire au NIF est en cours de construction. Il s’agit du Laser Mégajoule basé près de Bordeaux qui devrait être mis en service avant la fin de l’année par le CEA.

Qu’est-ce que la fusion ?

"La fusion est la réaction qui se produit au cœur du Soleil et des étoiles. Ce que nous percevons sous la forme de lumière et de chaleur est le résultat de cette réaction. Au cours de ce processus, des noyaux d’hydrogène entrent en collision et fusionnent pour donner naissance à des atomes d’hélium plus lourds, libérant de considérables quantités d’énergie."

"La fusion nucléaire est une option énergétique prometteuse à long terme, dont les principes sont connus depuis longtemps."

Les combustibles de la réaction de fusion

"Diverses associations d’isotopes d’éléments légers sont susceptibles de produire une réaction de fusion. Toutefois, dans les machines de fusion, c’est la réaction deutérium-tritium (D-T) qui se révèle la plus efficace. ITER et la future centrale de démonstration DEMO utiliseront cette combinaison d’éléments pour réaliser la réaction de fusion."

"Pour obtenir du deutérium, il suffit de distiller de l’eau, qu’il s’agisse d’eau douce ou d’eau de mer. Cette ressource est largement disponible et quasiment inépuisable. Un litre d’eau de mer contient 33 milligrammes de deutérium que l’on extrait de manière routinière à des fins scientifiques et industrielles."

"Le tritium est l’isotope radioactif de l’hydrogène. Sa désintégration est rapide et il n’est présent dans la nature qu’à l’état de traces. Le tritium peut toutefois être produit par l’interaction d’un neutron et d’un atome de lithium. Dans ITER, ce mode de génération du lithium sera exploré de manière expérimentale."

Quid du projet ITER

Le développement de la fusion contrôlée par confinement magnétique met en oeuvre des solutions de haute technologie et une compréhension fine de la physique du plasma et de ses interactions avec l’enveloppe du réacteur.

L’Europe, le Japon, la Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l’Inde et la Russie se sont associés dans le projet ITER.

La machine en cours de construction à Cadarache (France) devra intégrer les avancées technologiques et scientifiques et faire la preuve intégrée de leur faisabilité, avant le développement du premier réacteur.