La percée s’est produite en une tranche de temps incroyablement petite, moins qu’il ne faut à un faisceau de lumière pour se déplacer d’un pouce. En ce tout petit instant, la fusion nucléaire en tant que source d’énergie est passée d’un rêve lointain à la réalité. Le monde est maintenant aux prises avec les implications de cette étape historique. Pour Arthur Pak et les innombrables autres scientifiques qui ont passé des décennies à en arriver là, le travail ne fait que commencer.
Pak et ses collègues du Lawrence Livermore National Laboratory sont maintenant confrontés à une tâche ardue : recommencer, mais mieux et plus gros.
Cela signifie perfectionner l’utilisation du plus grand laser du monde, logé dans le National Ignition Facility du laboratoire que les fans de science-fiction reconnaîtront dans le film « Star Trek : Into Darkness », lorsqu’il a été utilisé comme décor pour le noyau de distorsion du vaisseau spatial. Entreprise. Juste après 1 heure du matin le 5 décembre, le laser a envoyé 192 faisceaux en trois impulsions soigneusement modulées sur un cylindre contenant une minuscule capsule de diamant remplie d’hydrogène, dans le but de déclencher la première réaction de fusion qui a produit plus d’énergie qu’il n’en a fallu pour créer. Il a réussi, ouvrant la voie vers ce que les scientifiques espèrent être un jour une nouvelle source d’énergie sans carbone qui permettra aux humains d’exploiter la même source d’énergie qui illumine les étoiles.
Pak, qui a rejoint le laboratoire Lawrence Livermore à l’extérieur de San Francisco en 2010, s’est réveillé à 3 heures du matin ce jour-là, incapable de s’empêcher de vérifier les premiers résultats depuis son domicile de San Jose. Il avait essayé de rester éveillé pour le coup lui-même, abandonnant finalement alors que les préparatifs minutieux de l’expérience traînaient tard dans la nuit. « Si vous restiez éveillé à chaque coup, à chaque fois pendant 10 ans, vous deviendriez fou », a-t-il déclaré.
Au cours des derniers mois, il était clair que son équipe se rapprochait, et dans l’obscurité précédant l’aube, il a vérifié un chiffre clé qui pourrait montrer s’ils avaient réussi – un nombre de neutrons produits par l’explosion.
« Quand j’ai vu ce chiffre, j’ai été époustouflé », a-t-il déclaré.
« Vous pouvez travailler toute votre carrière et ne jamais voir ce moment. Vous le faites parce que vous croyez en la destination et que vous aimez le défi », a déclaré Pak, responsable des diagnostics de l’expérience. « Lorsque les humains se réunissent et travaillent collectivement, nous pouvons faire des choses incroyables. »
L’équipe de Lawrence Livermore, un laboratoire de recherche financé par le gouvernement, effectuera probablement son prochain test en février, avec plusieurs autres expériences à venir dans les mois qui suivront. L’objectif sera de continuer à augmenter la quantité d’énergie produite dans la réaction. Cela signifie plus de bricolage : utiliser plus d’énergie laser. Ajustez le rayon laser. Générez plus de rayons X dans la cible, une étape clé du processus, en utilisant la même quantité d’énergie. Peut-être, éventuellement, moderniser l’installation elle-même, une décision qui nécessiterait l’adhésion du ministère de l’Énergie et un financement énorme.
Tout cela prendra des années, voire des décennies, à commencer par les petites expériences du laboratoire Lawrence Livermore qui ne durent que quelques nanosecondes.
« Nous devons comprendre : pouvons-nous simplifier les choses ? Pouvons-nous rendre ce processus plus facile et plus reproductible ? Pouvons-nous commencer à le faire plus d’une fois par jour ? » a déclaré Kim Budil, directeur du laboratoire Lawrence Livermore. « Chacun d’entre eux est un défi scientifique et technique incroyable pour nous. »
La plupart des experts prévoient que le monde est encore dans au moins 20 à 30 ans avant que la technologie de fusion ne devienne viable à une échelle suffisamment grande et abordable pour produire de l’énergie commerciale. Ce calendrier place la fusion au-delà de la portée d’une utilisation significative pour atteindre les objectifs mondiaux de zéro émission nette d’ici 2050. En ce sens, la fusion pourrait être la source d’énergie sans carbone du futur, mais pas de la transition énergétique mondiale actuelle à laquelle est confrontée obstacles continus.
La fusion a capturé l’imagination scientifique pendant des décennies. Il est déjà utilisé pour donner aux armes nucléaires modernes leur pouvoir dévastateur, mais le rêve est de l’apprivoiser pour la demande énergétique civile. Si elle pouvait être étendue, elle conduirait à des centrales électriques qui fourniraient une électricité abondante jour et nuit sans émettre de gaz à effet de serre. Et contrairement à l’énergie nucléaire d’aujourd’hui, déclenchée par un processus appelé fission, elle ne créerait pas de déchets radioactifs à longue durée de vie. Des générations entières de scientifiques l’ont poursuivi. Le conseiller scientifique en chef du président Joe Biden, Arati Prabhakar, a passé un été à travailler sur le programme de fusion laser du laboratoire en tant qu’étudiant de 19 ans à Bell Bottoms – en 1978.
« C’est un exemple formidable de ce que la persévérance peut accomplir », a-t-elle déclaré lors d’une conférence de presse la semaine dernière. « C’est ainsi que vous faites des choses vraiment grandes et difficiles. »
Fusion d’atomes
Le tir laser réussi a produit des réactions de fusion générant 3,15 mégajoules de puissance, dépassant les 2,05 mégajoules transmis par le laser. C’était un seuil majeur, la première fois que plus d’énergie sortait qu’entrait du laser. Mais l’équation doit pencher beaucoup plus dans le sens de ce qui sort pour devenir commercialement viable.
Alors que les centrales nucléaires d’aujourd’hui utilisent la fission, séparant les atomes, la fusion fusionne les atomes ensemble. Les chercheurs en fusion ont suivi deux pistes principales. Lawrence Livermore, utilisant un processus appelé confinement inertiel, fait exploser des cibles avec des faisceaux laser, faisant imploser une petite quantité d’hydrogène jusqu’à ce qu’il fusionne en hélium. Une usine commerciale utilisant cette approche devrait répéter le processus encore et encore, extrêmement rapidement, pour générer suffisamment d’énergie pour alimenter le réseau électrique.
De nombreuses entreprises développent des systèmes de confinement inertiel, bien qu’il existe des différences importantes. Certains étudient différents matériaux pour la cible, tandis que d’autres utilisent des accélérateurs de particules au lieu de lasers, déclenchant la réaction de fusion en faisant claquer des atomes ensemble.
La principale idée concurrente s’appelle le confinement magnétique, avec des systèmes qui créent un nuage de plasma, surchauffé à des centaines de millions de degrés, qui peut déclencher une réaction de fusion. Des aimants puissants contrôlent le plasma et entretiennent la réaction. Cette approche n’a pas encore permis d’obtenir un gain d’énergie net, et l’approche est confrontée à des défis tels que le développement de meilleurs aimants et la création de matériaux capables de résister à des températures très chaudes et d’être utilisés pour que le conteneur contienne le plasma.
À ce jour, environ 5 milliards de dollars de financement ont été versés aux entreprises de fusion, la grande majorité étant destinée aux technologies de confinement magnétique, selon le groupe commercial Fusion Industry Association.
Le confinement inertiel pourrait être mieux adapté pour prouver que la fusion peut fonctionner, a déclaré Adam Stein, directeur de l’innovation dans l’énergie nucléaire au Breakthrough Institute, un groupe de recherche basé à Oakland, en Californie. Mais à plus long terme, en ce qui concerne la commercialisation, « le confinement magnétique plasma a plus de chances de réussir », a-t-il déclaré.
« Soyez optimiste »
Des années ont été passées à affiner chaque partie du processus au laboratoire Lawrence Livermore.
Une grande partie du succès est due à la précision. Les capsules de carburant contiennent toutes de minuscules imperfections qui peuvent faire une différence significative dans le déroulement de la réaction. Il en va de même pour l’hydrogène gelé à l’intérieur, un mélange d’isotopes deutérium et de tritium. L’équipe produisait souvent de la glace d’hydrogène, la faisait fondre et réessayait plusieurs fois avant un tir, dans l’espoir d’obtenir la meilleure cible possible et d’augmenter les chances de succès.
Toute personne travaillant sur la fusion « doit être optimiste », a déclaré Denise Hinkel, une physicienne qui se concentre sur l’amélioration de la capacité prédictive des simulations informatiques du programme et qui travaille chez Lawerence Livermore depuis 30 ans. « Sinon, tu ne resterais pas sur le terrain. »
D’ici cet été, le laser géant sera en mesure de fournir environ 8% d’énergie en plus qu’il ne l’a fait lors du tir de ce mois-ci, selon Jean-Michel Di Nicola, ingénieur en chef du laser de la National Ignition Facility. Michael Stadermann, responsable du programme de fabrication des cibles, a déclaré que le laboratoire développait également un programme informatique capable d’examiner les coques des capsules de carburant à la recherche de défauts beaucoup plus rapidement que les humains. Ils travaillent également avec le fabricant de capsules pour améliorer le processus de fabrication.
Il est possible que la percée de Lawrence Livermore ne reste qu’un moment de l’histoire scientifique et ne marque pas le début d’une nouvelle industrie de la fusion alimentant le monde. Combler le fossé entre l’expérimentation et la commercialisation pourrait prendre des décennies, voire pas du tout. Et le confinement magnétique pourrait éventuellement être la méthode de fusion qui l’emporterait, fournissant au monde une énergie propre abondante. Pak, un homme à la voix douce avec une touffe de cheveux bruns et un esprit vif, a déclaré que le résultat ne le décevrait pas.
« Ils peuvent apprendre de nous, nous pouvons apprendre d’eux », a déclaré Pak, 40 ans. « Quand je serai un vieil homme, je serai vraiment satisfait de mes contributions. »
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