La visualisation des ondes de choc pourrait booster la recherche sur la fusion

Lauren Biron

Au cœur de notre soleil, la fusion se déroule. Alors que les atomes d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium, ils émettent de l’énergie, produisant la chaleur et la lumière qui nous parviennent sur Terre. Inspirés par notre étoile proche, les chercheurs veulent créer la fusion plus près de chez nous. S’ils parviennent à résoudre les défis d’ingénierie sous-jacents au processus, ils créeront une nouvelle source d’énergie abondante pour éclipser toutes les autres.

L’un de ces défis est de comprendre ce qui se passe aux échelles les plus petites lors des réactions de fusion afin que les chercheurs puissent mieux contrôler le processus. Dans l’un des deux principaux types de fusion, la fusion par confinement inertiel (ICF), les chercheurs bombardent une capsule remplie de combustible avec des lasers pour créer des ondes de choc, chauffer et comprimer la cible, déclenchant ainsi la fusion. Cela signifie de nombreuses interactions complexes que les scientifiques n’ont pas pu observer de près — jusqu’à présent.

Une équipe de chercheurs a utilisé une nouvelle approche au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l’Énergie pour observer comment une onde de choc se propageait dans l’eau avec un détail extrême, réalisant un film jamais vu auparavant montrant comment le matériau se comprimait et comment les champs électriques et magnétiques évoluaient. Ils ont été intrigués de découvrir que l’eau fournissait un bon analogue de ce qui se produit lorsqu’un laser frappe une cible ICF. Les scientifiques ont capturé le processus en utilisant à la fois des rayons X et un faisceau d’électrons, une vue double unique connue sous le nom d’imagerie « multi-messagers ».

C’est la première fois que la technique multi-messagers est utilisée pour étudier la physique sous-jacente à la fusion, et ouvre la porte à de futures expériences à petite et moyenne échelle qui amélioreront nos modèles et aideront à concevoir de meilleurs systèmes de fusion.

La recherche a été dirigée par l’Université du Michigan via le programme LaserNetUS du DOE (qui fournit un accès à des installations laser de haute puissance à travers les États-Unis), avec des collaborateurs de la division Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) de Berkeley Lab et de quatre autres institutions. L’étude a été publiée le 16 décembre 2025 dans la revue Nature Communications .

« C’était une expérience difficile, mais avec des résultats très fructueux », a déclaré Hai-En Tsai, chercheur scientifique à l’ATAP. Tsai et l’équipe du Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center ont dirigé la conception, la construction et l’exploitation du laser et des sources de faisceaux pour l’expérience. « Nous avons observé l’interaction par pas de picoseconde [un billionième de seconde], image par image, avec une précision d’imagerie au micromètre. Ce sont des niveaux de précision sans précédent dans l’énergie de fusion par confinement inertiel, où les scientifiques et ingénieurs ont beaucoup de questions. Ces résultats peuvent réellement aider à vérifier les modèles de simulation utilisés pour l’ICF. »

Créer une magie cinématographique avec des lasers et de l’eau

L’idée de l’expérience a commencé en 2019, lorsque Mario Balcazar — alors étudiant diplômé dans le groupe d’Alec Thomas à l’Université du Michigan et maintenant chercheur au SLAC National Accelerator Laboratory — a présenté la proposition au BELLA Center.

« Nous voulions démontrer que les rayons X produits par des lasers extrêmement intenses ont des propriétés uniques qui nous permettent de capturer un film du mouvement extrêmement rapide du plasma », a expliqué Thomas. « Il y a beaucoup d’excitation autour des récentes avancées dans la fusion par laser. Pour progresser davantage, il faut des diagnostics précis pour capturer la dynamique du plasma chaud, en particulier les comportements instables qui peuvent empêcher les plasmas de fusion de brûler correctement. »

L’expérience a utilisé une cible inhabituelle : un jet d’eau de la taille d’un cheveu humain. La cible a nécessité des mois de travail d’ingénierie pour empêcher le mince filet d’eau de geler dans le vide de l’expérience. Une fois terminée, les chercheurs ont pu tirer le laser sur la cible d’eau une fois par seconde, bien plus rapidement que les cibles solides traditionnelles qui doivent être remplacées après chaque interaction. (Le flux d’eau constamment renouvelé se remplace automatiquement, et le laser n’a besoin d’être aligné qu’une seule fois.)

Pour capturer l’onde de choc se déplaçant à travers le jet, les expérimentateurs se sont tournés vers un accélérateur laser-plasma (LPA), un dispositif compact qui génère des rayons X ultra-rapides et des faisceaux d’électrons de haute énergie sur seulement quelques millimètres. Un deuxième laser synchronisé a délivré l’onde de choc à l’eau. Ajuster le timing entre les deux impulsions a permis aux chercheurs de reconstituer un film à haute vitesse révélant l’évolution de l’onde de choc.

La première expérience de l’équipe a observé l’onde de choc en utilisant uniquement les rayons X. « Chaque fois que nous regardions l’image aux rayons X, elle nous surprenait », a confié Tsai. « Les simulations étaient très différentes de ce que nous avons réellement vu dans l’expérience, et cela nous a intrigués pendant un moment. »

Pour comprendre l’écart, l’équipe a mené des expériences de suivi en 2020 et 2023. Ils ont ajouté une sonde électronique à l’expérience, combinant pour la première fois la vue par rayons X de l’onde de choc avec celle des électrons.

Cette double perspective a montré ce que les rayons X seuls avaient manqué : une fine couche de vapeur d’eau entourant le jet. La vapeur a agi comme un coussin, aidant le choc à comprimer l’eau symétriquement. C’est similaire à ce qui se produit dans certains types de cibles pour la fusion par confinement inertiel, où une fine couche de mousse de faible densité autour de l’extérieur de la cible aide à la comprimer plus uniformément — essentiel pour des implosions réussies. Cette symétrie « assistée par vapeur » n’avait jamais été clairement observée auparavant.

La couche de vapeur dans la configuration de table de l’équipe a agi de manière inattendue comme un modèle à échelle réduite comparable à ce qui se passe dans certaines cibles de fusion, offrant une nouvelle façon d’étudier les effets de symétrie dans des conditions pertinentes pour la fusion.

« Cette expérience souligne comment LaserNetUS rassemble l’expertise de plusieurs universités et laboratoires — des cibles aux diagnostics, en passant par les lasers et les sources — pour obtenir un aperçu sans précédent des processus qui peuvent permettre une fusion à haut gain et créer les sources d’énergie de l’avenir », a déclaré Cameron Geddes, directeur de l’ATAP.

L’approche à double sonde surmonte également certains des défis qui ont entravé les expériences tentant d’étudier la microphysique de la fusion. Contrairement à d’autres méthodes, la technique est ultra-rapide et peut capturer de manière répétée des images claires à haute résolution.

« Utiliser deux types d’impulsions de rayonnement simultanément nous donne des détails qui resteraient autrement cachés, et l’image que nous obtenons est plus grande que la somme de ses parties », a expliqué Jeroen van Tilborg, scientifique senior et directeur adjoint des expériences au BELLA Center. « Nous menons l’effort pour rendre la technologie laser-plasma plus compacte et impactante pour les applications réelles. Réduire la technologie signifie que les chercheurs pourraient potentiellement installer un accélérateur laser-plasma dans une installation de fusion pour mieux imager le processus. »

Les chercheurs ont mené l’expérience sur le système laser de 100 térawatts du BELLA Center, l’une des deux lignes de faisceau ouvertes aux scientifiques extérieurs via le programme LaserNetUS. Il s’agissait de la première expérience utilisateur réalisée sur cette ligne de faisceau, et elle incluait des experts de six institutions : Berkeley Lab, Université du Michigan, SLAC, Lawrence Livermore National Laboratory, The University of Texas at Austin et Imperial College London.

Source : LBL