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Fusion inertielle : des progrès vers l'ignition

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Les physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont franchi une nouvelle étape sur la route encore longue menant à la production d'énergie par fusion contrôlée. Pour la première fois, les lasers de l'expérience menée au National Ignition Facility (NIF) ont allumé une réaction de fusion thermonucléaire produisant plus d'énergie que celle utilisée pour comprimer et chauffer une bille de deutérium et d'hydrogène. Ce résultat est encourageant, mais le bilan de l'énergie totale utilisée dans l'expérience reste toujours largement déficitaire.

Une vue de la machine dans laquelle les physiciens du Lawrence Livermore National Laboratory sont parvenus à produire de l'énergie au moyen de la fusion inertielle. Le rendement obtenu a été multiplié par dix par rapport aux expériences précédentes, et les résultats ont servi à valider des modèles informatiques utilisés pour simuler les phénomènes mis en jeu. Le rendement de la machine en lui-même reste cependant de 1 % environ, ce qui est encore loin d'être suffisant pour une exploitation commerciale. © Lawrence Livermore National Laboratory

On sait que la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l'Inde, le Japon, la Russie et l'Union européenne se sont réunis au sein du programme Iter, l'acronyme d'International Thermonuclear Experimental Reactor. Mais Iter n'est pas l'unique chemin pouvant mener un jour vers la production industrielle d'électricité en maîtrisant les réactions thermonucléaires de fusion. Au lieu de confiner du plasma dans un champ magnétique et de le chauffer avec des ondes électromagnétiques, on peut comprimer et porter à haute température un mélange de deutérium (D) et de tritium (T) solide avec un laser. Il s'agit de la fusion inertielle.

Voilà à quoi ressemble une expérience de fusion inertielle au NIF. En tout, 192 faisceaux laser sont concentrés dans une cavité d'une dizaine de millimètres de long contenant un microballon de deutérium et de tritium. © Lawrence Livermore National Laboratory, YouTube

Parallèlement aux investissements qu'ils ont réalisés dans le projet Iter, les États-Unis poursuivent des recherches sur la fusion par laser avec le National Ignition Facility (NIF), faisant partie du célèbre Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) californien. Les chercheurs travaillant avec les 192 lasers de la NIF viennent de publier dans Nature un article dans lequel ils annoncent qu'ils ont enfin réussi à produire plus d'énergie qu'ils n'en ont injecté dans un microballon contenant initialement un mélange DT refroidi en dessous de 18 kelvins.

Le hohlraum du NIF est une cavité dans laquelle est placé un microballon de deutérium et de tritium. Ouvert aux deux extrémités, il permet de faire entrer les faisceaux laser nécessaires pour faire de la fusion inertielle. © Lawrence Livermore National Laboratory

Mélange de deutérium et de tritium comprimé avec des rayons X

C'est un succès remarquable, mais pas révolutionnaire. En effet, seulement 1 % de l'énergie des lasers employés pour provoquer la fusion du mélange DT a réellement été utilisée pour comprimer et chauffer celui-ci. Il faudrait donc augmenter encore d'un facteur 100 le rendement de la machine pour qu'elle commence à produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme vraiment, c'est-à-dire atteindre l'ignition. De plus, même en supposant ce but atteint, le rendement devrait encore être augmenté pour que le réacteur à fusion contrôlée soit en mesure, vu sa complexité, de concurrencer sérieusement d'autres sources d'énergie plus facilement exploitables et à moindre coût.

Le microballon contenant quelques centaines de microgrammes de deutérium et de tritium est placé dans un conteneur. Des ouvertures permettent d’y faire pénétrer les faisceaux laser qui chauffent les parois internes. Celles-ci émettent un rayonnement X intense qui apporte l’énergie nécessaire au microballon pour le comprimer, le chauffer et déclencher les réactions de fusion. Ce microballon est une petite coquille de polymère d’une épaisseur de 200 micromètres, remplie avec un mélange de deutérium (D) et de tritium (T). Ces deux isotopes de l’hydrogène se présentent sous forme de gaz aux conditions normales de température et de pression (température et pression ambiantes). © CEA

Il n'en reste pas moins que des recherches sur la fusion inertielle doivent se poursuivre. En attendant, elles permettent aussi de faire des tests concernant la physique des armes nucléaires. Il existe en réalité des parallèles entre ce qui se fait avec le NIF aux États-Unis et avec le Laser Mégajoule (LMJ) en France.

Une vidéo de présentation du Laser Mégajoule. Il sert à simuler la physique des explosions des armes nucléaires et à faire des recherches sur la fusion contrôlée. © CEAsciences, CEA, YouTube

Des lasers pour la fusion inertielle et les armes nucléaires

Le principe des deux machines est d'utiliser un microballon de DT placé dans une cavité que l'on appelle un hohlraum (mot allemand désignant généralement une « zone creuse » ou une cavité). Ce genre de dispositif a comme ancêtre les cavités utilisées pour faire des expériences sur le rayonnement du corps noir. On les chauffait jusqu'à ce que les parois internes soient en équilibre thermodynamique radiatif avec l'énergie rayonnante dans la cavité. Une petite ouverture permettait alors à un rayonnement ayant le spectre d'un corps noir de sortir.

Dans le cas du NIF et du LMJ, des faisceaux laser pénètrent dans le hohlraum pour y provoquer la formation de rayons X qui vont comprimer et chauffer le microballon. Il faut pour cela que les couches supérieures de celui-ci s'évaporent de façon uniforme. L'effet produit sur le microballon est alors identique à ceux des gaz éjectés par la tuyère d'une fusée, sauf que dans le cas présent, la matière évaporée comprime une sphère jusqu'à une densité de quelques centaines de grammes par centimètre cube, et que l'on atteint aussi une température de 100 millions de degrés.

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