Imaginez essayer d’invoquer le soleil dans votre laboratoire de recherche.
Oui, toi, grande étoile brillante ! Apportez votre chaleur torride, le drame de la fusion nucléaire constante de votre noyau et vos niveaux d’énergie hors normes avec vous. Nous voulons savoir comment faire en sorte que cette énergie de fusion se produise ici sur Terre – à volonté et efficacement – afin de pouvoir rayer à jamais « l’approvisionnement énergétique » de notre liste de soucis.
Mais, bien sûr, le soleil ne peut pas atteindre le laboratoire. Il vit trop loin – environ 93 millions de miles – et il est beaucoup trop grand (environ 864 000 miles de diamètre). Il fait aussi beaucoup trop chaud et plus dense que tout sur Terre. C’est pourquoi il peut entretenir les réactions qui génèrent toute l’énergie qui alimente la vie sur Terre.
Cela n’a pas découragé les scientifiques de poursuivre leur quête de la fusion nucléaire, bien sûr.
Au lieu de cela, ils ont trouvé des moyens extraordinaires – en utilisant des lasers intenses et de l’hydrogène – pour produire des conditions extrêmes comme celles qui existent dans le noyau du soleil, produisant une fusion nucléaire dans de minuscules capsules en plastique de 1 millimètre. Cette approche est appelée « fusion par confinement inertiel ».
Le défi consiste à créer un système qui génère plus d’énergie de fusion qu’il n’en faut pour le créer.
Ceci est exceptionnellement difficile car cela nécessite des expériences de haute précision dans des conditions extrêmes, mais les chercheurs ont fait des progrès majeurs dans la science et la technologie nécessaires pour produire une fusion contrôlée en laboratoire au cours des dernières décennies.
Aujourd’hui, Arijit Bose, chercheur à l’Université du Delaware, et ses collaborateurs poursuivent une variante prometteuse de cette approche. Leurs travaux ont été publiés récemment dans Lettres d’examen physique.
Cette animation illustre la fusion par confinement inertiel, qui est obtenue en utilisant des lasers de haute puissance pour provoquer une implosion sphérique et est au centre des nouvelles recherches d’Arijit Bose de l’Université du Delaware. Crédit : Université du Delaware/Jeffrey Chase
Ils ont appliqué de puissants champs magnétiques à l’implosion par laser, ce qui peut leur permettre de diriger les réactions de fusion d’une manière jusque-là inexplorée dans les expériences.
Bose, professeur adjoint au département de physique et d’astronomie de l’UD, a commencé son étude de la fusion nucléaire pendant ses études supérieures à l’Université de Rochester.
Après avoir visité le Laboratoire d’énergie laser à Rochester, où les lasers sont utilisés pour faire imploser des capsules sphériques et créer des plasmas, connus sous le nom de « fusion par confinement inertiel », il a trouvé un centre d’intérêt pour ses propres recherches.
« La fusion est ce qui alimente tout sur Terre », a-t-il déclaré. « Avoir un soleil miniature sur Terre – un soleil de la taille d’un millimètre – c’est là que la réaction de fusion se produirait. Et cela m’a époustouflé. »
La recherche sur la fusion nucléaire par laser existe depuis des décennies, a déclaré Bose.
Tout a commencé au Lawrence Livermore National Lab dans les années 1970. Livermore héberge désormais le plus grand système laser au monde, de la taille de trois terrains de football. La recherche sur la fusion qui y est menée utilise une approche indirecte. Les lasers sont dirigés vers une petite boîte en or de 100 millimètres. Ils frappent la surface intérieure de la boîte et produisent des rayons X, qui frappent ensuite la cible – une minuscule sphère faite de deutérium et de tritium congelés – et la chauffent à des températures proches du cœur du soleil.
« Rien ne peut survivre à cela », a déclaré Bose. « Les électrons sont arrachés aux atomes et les ions se déplacent si vite qu’ils entrent en collision et fusionnent. »
La cible implose en une nanoseconde – un milliardième de seconde – d’abord entraînée par le laser, puis continue à se comprimer sur sa propre inertie. Enfin, il se dilate en raison de la pression centrale croissante provoquée par la compression.
« Faire démarrer une réaction en chaîne de fusion auto-chauffée s’appelle l’allumage », a déclaré Bose. « Nous sommes remarquablement proches d’atteindre l’allumage. »
Des chercheurs de Livermore ont rapporté de nouveaux gains impressionnants dans cet effort le 8 août.
L’installation laser OMEGA de Rochester est plus petite et est utilisée pour tester une approche à entraînement direct. Ce processus n’utilise aucune boîte en or. Au lieu de cela, les lasers frappent directement la sphère cible.
La nouvelle pièce est le puissant champ magnétique – dans ce cas, force jusqu’à 50 Tesla – qui est utilisé pour contrôler les particules chargées. Par comparaison, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) typique utilise des aimants d’environ 3 Tesla. Et le champ magnétique qui protège la Terre du vent solaire est de plusieurs ordres de grandeur inférieur à 50T, a déclaré Bose.
« Vous voulez que les noyaux fusionnent », a déclaré Bose. « Les champs magnétiques piègent les particules chargées et les font contourner les lignes de champ. Cela aide à créer des collisions et à stimuler la fusion. C’est pourquoi l’ajout de champs magnétiques présente des avantages pour la production d’énergie de fusion. »
La fusion nécessite des conditions extrêmes, mais elle a été réalisée, a déclaré Bose. Le défi consiste à obtenir plus d’énergie en sortie qu’en entrée et les champs magnétiques fournissent l’impulsion qui peut rendre cette approche transformatrice.
Les expériences publiées dans Lettres d’examen physique ont été faites lorsque Bose effectuait des recherches postdoctorales au Plasma Science and Fusion Center du MIT. Cette collaboration se poursuit.
Bose a déclaré qu’il avait été attiré par l’Université du Delaware, en partie à cause de l’accent mis sur la physique des plasmas au Département de physique et d’astronomie, notamment William Matthaeus, Michael Shay et Ben Maruca.
« Ils font des études et des analyses de données provenant du programme solaire de la NASA et de toutes ses missions », a-t-il déclaré. « Nous menons des expériences d’astrophysique en laboratoire où ces phénomènes sont réduits dans l’espace et dans le temps au laboratoire. Cela nous donne un moyen de résoudre certaines des questions complexes de physique posées par les missions de la NASA. »
Les étudiants sont des moteurs importants de ce travail, a déclaré Bose, et leur carrière peut connaître de grands progrès dans ce nouveau domaine d’études.
« C’est une partie fascinante de la science et les étudiants sont une partie très importante du développement de la main-d’œuvre pour les laboratoires nationaux », a-t-il déclaré. « Les étudiants expérimentés dans cette science et cette technologie finissent souvent comme scientifiques et chercheurs dans les laboratoires nationaux. »
Il y a encore beaucoup de travail à faire, a-t-il dit.
« Nous n’aurons pas de solution demain. Mais ce que nous faisons, c’est contribuer à une solution pour une énergie propre. »
A. Bose et al, Effet des électrons et des ions fortement magnétisés sur le flux de chaleur et la symétrie des implosions de fusion inertielle, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.195002