Le Soleil vu par le satellite SDO. © Nasa
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La fusion inertielle se rapproche du mythique seuil de l'ignition

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On sait produire des réactions de fusion entre noyaux depuis au moins les années 1930, permettant ainsi d'étudier les réactions thermonucléaires faisant briller le Soleil. Mais le chemin est encore long vers la production d'énergie par fusion malgré un progrès récent et significatif dans cette direction qui vient d'être accompli sur la voie de la fusion inertielle par les membres du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis. Mais peut-on parler d'un progrès historique ?

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[EN VIDÉO] Quels atomes notre Soleil fabrique­-t-­il ?  Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de l’astrophysique nucléaire des étoiles et dans cette vidéo en particulier, des réactions de fusions principales qui font briller le Soleil. Elles conduisent à la synthèse de noyaux. 

Kim Budil doit être contente d'elle, la directrice du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a réussi à faire le buzz en annonçant que ses chercheurs avaient réussi « un pas en avant historique pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel ». Rappelons que le LLNL a joué un rôle important dans le développement de la bombe H aux États-Unis et qu'il est maintenant en charge du stockpile stewardship, le programme états-unien de tests de fiabilité et de maintenance de son armement nucléaire, sans recours à des essais en grandeur nature des armes.

Les recherches du LLNL sont donc avant tout à but militaire et accessoirement sur la fusion contrôlée sur le principe de la fusion inertielle, le même que celui utilisé pour faire exploser une bombe H. Comme l'explique très bien la vidéo incontournable du CEA ci-dessous, il faut des lasers pour explorer cette voie différente de celle de la fusion par confinement magnétique qui est à la base du projet Iter. Les États-Unis poursuivent donc des recherches sur la fusion inertielle grâce aux 192 lasers ultraviolets équipant le National Ignition Facility (NIF), une division du (LLNL).

On a cependant du mal à vraiment prendre au sérieux la déclaration enthousiaste de Kim Budil de prime abord. Certes un communiqué du LLNL explique bien qu'une amélioration d'un facteur 8 par rapport aux expériences menées au printemps 2021 et une augmentation totale d'un facteur 25 par rapport au rendement record du NIF en 2018 a bien été obtenu. Mais comme l'explique le communiqué lui-même, l'ignition n'est pas encore atteinte. Or c'est une nécessité pour commencer à espérer pouvoir résoudre les problèmes énergétiques de l'Humanité via la fusion contrôlée.

Une excellente présentation de la fusion inertielle. © CEA/DRF

Une ignition encore hors de portée

Futura avait déjà rendu compte en 2014 des progrès accomplis dans cette direction, dans le précédent article ci-dessous. Avant de commencer à vraiment s'exciter pour une machine à fusion, il faut savoir qu'il faut atteindre avec elle un point de fonctionnement où l'on a aussi bien ce que l'on appelle le breakeven que l'ignition.

L'ignition est atteinte lorsque la réaction de fusion thermonucléaire peut s'entretenir elle-même avec l'énergie qu'elle libère. De l'aveu du LLNL lui-même, ils n'en sont encore pas là.

Le breakeven, c'est lorsque le bilan total de l'énergie nécessaire pour allumer une réaction de fusion est au pire égale à l'énergie libérée et au mieux inférieure. On obtient donc un rapport Q (énergie libérée/énergie dépensée) qui vaut 1 encore jamais atteint avec une réaction de fusion. On espère que Iter produira un Q=10.

Rappelons enfin ce que nous disions dans l'article de 2014 concernant le progrès à l'époque au LLNL : « 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 le breakeven. 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. »

La situation s'est améliorée à cet égard mais les précisions sur ce qui a vraiment été accompli par les membres du LLNL, que l'on peut trouver dans un article publié dans la célèbre revue Physics Today, montrent que les commentaires précédents sont encore largement valables.

Rappelons que tout comme dans le cas d'une bombe H, un dispositif, en l'occurrence appelé hohlraum (voir l'article de Futura publié en 2014), permet de concentrer un flux de rayons X autour d'une capsule contenant le mélange de deutérium (D) et de tritium (T) où l'on veut produire une réaction de fusion thermonucléaire.

Ces rayons X sont produits à l'aide des lasers ultraviolets sauf que le rendement de conversion entre ces deux rayonnements n'est toujours pas égal à 1. Environ 85 % du rayonnement UV initial n'est pas transformé en rayonnement X. Certes, dans les résultats de la dernière expérience du LLNL, environ 250 kilojoules ont été absorbés par un microballon de DT et environ 1,3 mégajoule a été produit par la réaction de fusion mais au total 1,9 mégajoule a été consommé.

Non seulement la réaction ne s'auto-entretient pas encore mais le bilan d'énergie est déficitaire ! On peut se réjouir tout de même en ayant l'impression que le but est presque à portée de main, mais n'oublions pas qu'en 2009 les chercheurs pensaient atteindre l'ignition au LLNL dans les deux ans.

La France aussi sur la piste de la fusion inertielle

Malgré tout, Daniel Vanderhaegen, directeur du Programme simulation de la Direction des applications militaires (DAM) du CEA, ne cache pas son enthousiasme dans un communiqué du CEA. La Direction des Applications Militaires du CEA, au CEA-CESTA à proximité de Bordeaux, est l'équivalent français du NIF et s'occupe du Laser MégaJoule (LMJ) avec des buts similaires, militaires et concernant la fusion inertielle.

Daniel Vanderhaegen explique que : « Cette expérience réalisée au NIF constitue une avancée considérable, parce que les chercheurs américains, qui ont démarré les expériences laser depuis plus de 10 ans, se sont rapprochés du seuil d'ignition, soit le moment où l'on récupère autant d'énergie thermonucléaire que ce que l'énergie laser a fourni. Les 192 lasers du NIF ont produit 1,9 mégajoule et les Américains ont récupéré 1,3 mégajoule d'énergie thermonucléaire. Le rendement est de 0,7, très proche du gain de 1, le seuil d'ignition, résultat jamais obtenu auparavant. Les Américains ont ainsi obtenu une preuve de concept de la capacité à atteindre l'ignition. »

Mais prudent et lucide, il précise plus loin que : « Pour produire de l'énergie de manière économique et rentable, il faudrait réaliser cette même expérience avec un gain non pas de 1 mais plutôt de 10, de façon répétitive et robuste, avec par exemple 10 expériences similaires par seconde, 24h/24... C'est un défi très ambitieux. C'est pourquoi la voie prioritaire pour produire de l'énergie reste la fusion par confinement magnétique à travers le projet Iter... Nous sommes actuellement au niveau de la preuve de concept et je ne pense pas qu'il soit possible d'arriver à quelque chose d'économiquement viable avant quelques décennies. »

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

  • Les tokamaks ne sont pas les seules machines permettant d'explorer la physique des réactions de fusion à l'intérieur des étoiles dans l'espoir de les contrôler afin de produire une énergie abondante.
  • Les physiciens et les ingénieurs explorent, en plus de la fusion par confinement magnétique qu'ils permettent, celle par fusion inertielle qui consiste à comprimer et chauffer avec des lasers un mélange de noyaux.
  • La fusion inertielle permet aussi de reproduire les conditions de densité et de pression à l'intérieur du Soleil qui le font briller avec la chaîne proton-proton, un ensemble de réactions nucléaires découvert à la fin des années 1930.
  • On progresse régulièrement sur cette voie en direction de ce que l'on appelle l'ignition, le moment où une réaction de fusion pourra s'alimenter elle-même sans utiliser de l'énergie extérieure.
Pour en savoir plus

Fusion inertielle : un cœur de Soleil reproduit en laboratoire grâce au laser

Article de Laurent Sacco publié le 27/10/2019

On sait produire des réactions de fusions entre noyaux depuis au moins les années 1930, permettant ainsi d'étudier les réactions thermonucléaires faisant briller le Soleil. Mais une expérience de fusion inertielle a permis pour la première fois de reproduire une de ces réactions dans des conditions de densité et de température similaires à celle du cœur du Soleil.

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. © Lawrence Livermore National Laboratory

Le Soleil fascine l'Homme depuis la plus haute Antiquité. On le sait, bien sûr, avec l'Égypte ancienne mais il n'est pas anodin de se rappeler que c'est l'image du Soleil que Platon utilise dans sa célèbre allégorie de la caverne qu'il expose dans le livre VII de La République. En suivant la trajectoire qu'il a tracée pour nous il y a plus de 2.000 ans, et que nous sommes encore loin d'avoir vraiment pu concrétiser en ce qui concerne certains de ses aspects, nous avons tout de même porté notre compréhension de la Phusis au point où nous avons percé les mécanismes fondamentaux qui font briller non seulement le Soleil mais aussi les autres étoiles. Nous nous sommes même engagés avec Iter sur le chemin qui, on l'espère, contribuera à fournir à l'humanité l'énergie décarbonée et abondante dont elle a tellement besoin pour survivre au XXIe siècle et terminer de sortir de son adolescence turbulente et violente.

Il s'agit bien sûr d'utiliser la physique des plasmas en conjonction avec la physique nucléaire pour produire de façon stable et auto-entrenue au moins dix fois plus d'énergie qu'il n'en est nécessaire pour allumer une réaction de fusion thermonucléaire. Pour cela, les travaux des pionniers de cette physique sont utilisés et dont les premiers développements importants remontent aux années 1930 avec, pour ne citer qu'eux, les travaux de Lev Landau et Hans Bethe.

Les réactions thermonucléaires du Soleil selon la chaîne proton-proton. Celles à l’origine des neutrinos solaires sont en jaune. © John Bahcall.

Bethe en particulier est à l'origine de la découverte des réactions thermonucléaires dites de la chaîne proton-proton et du cycle CNO. La chaîne proton-proton est la principale à l'origine du feu solaire alors que le cycle CNO, aussi appelé cycle de Bethe-Weizsäcker, est dominant dans des étoiles un peu plus massives que notre Soleil. Dans les deux cas, l'énergie libérée est liée à la nucléosynthèse de l'hélium à partir de l'hydrogène.

Une nouvelle fenêtre sur la nucléosynthèse stellaire

Physique des plasmas et physique de la fusion thermonucléaire font toujours l'objet de recherches poussées aujourd'hui comme le montre la 61e assemblée annuelle de la Division de physique des plasmas de l'American Physical Society (DPP) qui se tient actuellement à Fort Lauderdale, en Floride. Elle a permis à la physicienne du MIT Maria Gatu Johnson d'exposer de nouveaux résultats qu'elle et ses collègues ont obtenus dans le domaine de la fusion inertielle, une autre approche que celles avec les tokamaks et qui utilise des lasers, en l'occurrence les 192 faisceaux du National Ignition Facility (NIF) -- les plus puissants du monde et qui se trouvent au sein du Lawrence Livermore National Laboratory, à Livermore (Californie, États-Unis). Futura avait déjà parlé de travaux similaires dans le précédent article ci-dessous.

Le plasma est souvent présenté comme un quatrième état de la matière. Il peut exister sous plusieurs valeurs de densité et de température permettant dans certains cas l'allumage de réactions de fusion thermonucléaire en quantités plus ou moins importantes. On peut donc jouer sur ces deux paramètres pour obtenir ces réactions de fusion et il en existe de nombreuses qui ont leurs avantages et leurs inconvénients pour la production d'énergie (celle avec deutérium et tritium est la plus énergétique à basses températures et c'est pour cette raison qu'elle sera utilisée dans Iter).

Dans un communiqué fait à Fort Lauderdale, Maria Gatu Johnson précise que les travaux menés avec ses collègues concernent des progrès dans la simulation des réactions de nucléosynthèse qui font briller le Soleil à l'aide de la fusion inertielle. Ils concernent une partie de la chaîne proton-proton, celle qui consiste à faire fusionner deux noyaux d'hélium 3 (3He donc deux protons et un neutron). Comme plusieurs parties de cette chaîne, on savait déjà les reproduire dans certaines conditions mais comme l'explique la physicienne : « Ce qui est vraiment cool avec ces expériences, c'est que contrairement aux études précédentes sur Terre, nous sondons cette réaction à des conditions de température et de densité comparables à celles trouvées dans les étoiles ».

Indépendamment des enseignements que l'on peut en tirer pour la fusion contrôlée, nous sommes donc en mesure de reproduire un cœur de soleil comme ceux à l'origine de certains des éléments que nous rencontrons sur notre Planète bleue.

Une image de l'expérience avec fusion de noyaux d'hélium 3 à rapprocher de celles dans la vidéo de l'article ci-dessous. Les conditions très chaudes et très denses du cœur du Soleil sont créées par la compression d’une petite capsule en plastique remplie de gaz à une pression 10 fois supérieure à la pression atmosphérique à l'aide 192 faisceaux laser puissants. Certains des faisceaux laser focalisés apparaissent en haut et à gauche de l'image.© Don Jedlovec, LLNL

Fusion inertielle : des progrès vers l'ignition

Article de Laurent Sacco publié le 13/02/2014

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.

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 le breakeven. 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.

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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