Allumage par fusion laser : mettre en perspective les percées de la fusion nucléaire

Ce mois-ci, les médias ont été en effervescence avec l'annonce que le National Ignition Facility (NIF) des États-Unis avait accompli une percée significative dans la quête de la fusion nucléaire commerciale. Plus précisément, l'annonce était qu'un gain net d'énergie de fusion (Q) avait été mesuré d'environ 1,5 : pour un apport de 2,05 MJ, 3,15 MJ étaient produits.

Ce qui était remarquable à propos de cet événement par rapport à la production de 1,3 MJ de l'année dernière, c'est qu'il démontre une routine de tir optimisée pour les lasers du NIF, et cela change la façon dont le Hohlraum - contenant le carburant deutérium-tritium (DT) - est ciblé pour un résultat plus efficace compression. Dans ce Hohlraum, des rayons X sont produits qui servent à comprimer le carburant. Avec une pression suffisante, la barrière de Coulomb qui empêche généralement les noyaux de se rapprocher les uns des autres peut être surmontée, et c'est la fusion.

Sur la base des résultats préliminaires, il semblerait que quelques pour cent du combustible DT aient subi une fusion. Alors la question suivante : cela signifie-t-il vraiment que nous sommes plus près d'avoir des réacteurs à fusion commerciaux produisant beaucoup de puissance ?

Comme le dit l'éternel foc, la fusion nucléaire est toujours dans une décennie, depuis sa découverte il y a cent ans. Ce qui manque malheureusement dans une grande partie de la communication en matière de recherche et de développement en physique fondamentale, c'est souvent une compréhension plus approfondie de ce qui se passe et de ce que signifient les découvertes rapportées. Puisque nous traitons de la physique fondamentale et que nous nous dirigeons avec audace vers de nouveaux domaines de la physique des plasmas, des aimants supraconducteurs à haute température, ainsi que de nouveaux domaines passionnants dans la recherche sur les matériaux, tout ce que nous pouvons faire est de fournir une supposition solide et éclairée.

Avec les réacteurs à fusion Z-pinch des années 1950, il semblait que les réacteurs à fusion commerciaux n'étaient encore qu'à quelques années. Impulsez simplement des courants élevés à travers le plasma pour induire la fusion, récolter l'énergie et soudain, les réacteurs à fission nucléaire tant vantés de l'époque semblaient déjà être des reliques d'antan. Avec des chiffres Q initialement élevés signalés pour les réacteurs à fusion Z-pinch, les journaux ont fait la une des journaux avec la certitude absolue que le Royaume-Uni construirait les premiers réacteurs à fusion, le reste du monde devant suivre.

Plus tard, on a découvert que les mesures avaient été faussées et que ni le gain de fusion supposé n'avait été aussi étonnant que celui rapporté, et que personne n'avait été conscient de la gravité des instabilités du plasma dans ce type de réacteur qui compliquaient leur utilisation. Ce n'est qu'avec la conception du tokamak russe, qui a ajouté un champ électromagnétique autour du plasma, qu'il a semblé que cette dynamique du plasma pouvait désormais être gérée.

Bien qu'une solution alternative existait à l'époque sous la forme de stellérateurs, ceux-ci nécessitent une géométrie assez complexe qui suit le champ de plasma, plutôt que de le restreindre. Cela signifiait qu'ils ne sont devenus attrayants que dans les années 1990, lorsque la puissance de simulation informatique était suffisante pour modéliser la forme requise d'un tel réacteur. Actuellement, le stellerator Wendelstein 7-X (W7-X) est la mise en œuvre la plus importante et la plus intéressante d'un tel réacteur, qui a récemment été entièrement configuré avec des aiguillages refroidis qui devraient lui permettre de fonctionner en continu.

Tout cela pour dire que depuis les années 1950, il s'est passé beaucoup de choses, de nombreuses théories ont été essayées, certaines sont restées bloquées, tandis que d'autres ont échoué. C'est sur cette frontière instable entre les domaines de la physique pratique et théorique, ainsi que des sciences des matériaux et diverses disciplines d'ingénierie que l'humanité se rapproche de plus en plus de la réalisation d'un réacteur à fusion commercial pratique.

Le NIF des Lawrence Livermore National Laboratories (LLNL) utilise la fusion par confinement inertiel (ICF) à base de laser, ce qui signifie essentiellement que le combustible DT est maintenu en place pendant qu'il est soufflé afin de réaliser la fusion. À la base, ce n'est pas beaucoup plus compliqué que d'autres concepts de réacteurs à fusion, qui ont tous tendance à utiliser du combustible DT dans la réaction suivante :

Dans le cadre de la fusion des deux noyaux d'hydrogène, une quantité importante d'énergie est libérée, qui peut être captée afin de créer de la vapeur et d'entraîner un générateur. Pendant ce temps, les déchets d'hélium doivent être éliminés, les neutrons à grande vitesse (rapides) capturés et le carburant DT reconstitué. En comparant cela aux technologies de fusion par confinement magnétique (MCF) telles que les tokamaks et les stellerators, il devient clair pourquoi l'ICF n'est même pas dans la même ligue.

Les tokamaks et les stellérateurs sont essentiellement conçus comme des réacteurs à utilisation continue, avec un flux de plasma constamment maintenu dans lequel les noyaux de deutérium et de tritium fusionnent et les contaminants sont éliminés via les divertors refroidis. Les neutrons sont capturés par une couverture de lithium qui tapisse l'intérieur de la cuve du réacteur, ce qui provoque la production de tritium, permettant à cet isotope d'hydrogène à courte durée de vie d'être constamment reconstitué avec le deutérium.

En fin de compte, un tokamak ou un stellerator serait auto-échauffant, en ce sens qu'ils ont un Q supérieur à 15. Cela signifie que le réacteur peut fournir l'énergie nécessaire pour chauffer son plasma, tout en produisant suffisamment d'énergie pour faire fonctionner le générateur, ou similaire. Cela rendrait un tel réacteur essentiellement autonome, ce qui ne s'applique pas à un système ICF comme le NIF. Il nécessite la production de ses pastilles de combustible spéciales DT, et l'insertion de chaque pastille dans la chambre d'allumage. Cela rend le fonctionnement continu plutôt fastidieux.

En termes de production nette d'énergie, le NIF n'a pas non plus l'air très bon. Alors que, par exemple, le tokamak JET du Royaume-Uni a atteint un Q d'environ 0,65 (en dessous du seuil de rentabilité), lorsque la puissance d'entrée d'environ 422 MJ pour un tir NIF est prise en compte, les 3,15 MJ produits sont en effet dérisoires.

À l'époque de la guerre froide, le budget de R&D pour la recherche sur la fusion nucléaire était plutôt important, du moins en partie grâce à la crainte persistante que l'autre côté puisse éventuellement réussir à apprivoiser cette incroyable nouvelle source d'énergie, également aidé par les connaissances fascinantes acquises dans comment les armes thermonucléaires pourraient être modifiées et entretenues de manière plus optimale.

Lorsque la guerre froide a pris fin et que les années 1990 se sont déroulées, la recherche sur la fusion nucléaire a vu son budget de R&D s'épuiser au point où la majeure partie s'est arrêtée brutalement. De nos jours, la recherche sur la fusion nucléaire se porte nettement mieux, de nombreux pays exécutant des programmes de recherche MCF. La majorité d'entre eux sont des tokamaks, suivis des stellerators, l'Ukrainien Uragan-2M et l'Allemand Wendelstein 7-X étant des exemples éminents. Le reste sont des appareils ICF, qui sont notamment utilisés pour la recherche fondamentale sur la fusion, pas pour la production d'énergie.

Dans ce contexte, si nous regardons les 3,15 MJ du NIF, il devrait être clair que nous ne sommes pas entrés soudainement dans l'ère des réacteurs à fusion nucléaire commerciaux, ni que nous sommes sur le point d'en avoir un. Ce que cela signifie, cependant, c'est que cette installation ICF particulière a réalisé quelque chose de remarquable, à savoir un allumage par fusion limité. Dans quelle mesure cela nous aidera à nous rapprocher des réacteurs à fusion commerciaux devrait devenir clair au cours des prochaines années.

Ce qui ne fait aucun doute, c'est que mettre un prix sur la recherche fondamentale n'a pas beaucoup de sens. Le but d'une telle recherche et d'un tel potentiel est après tout d'accroître notre compréhension du monde qui nous entoure et de faciliter la vie de chacun sur la base de cette meilleure compréhension. Compte tenu du large éventail de réponses à ces récentes découvertes du NIF, cela soulève la question de savoir dans quelle mesure les principes fondamentaux de la recherche sur la fusion nucléaire sont communiqués au grand public.