La fusion est un phénomène naturel qui fournit à notre planète une grande partie de son énergie, générée à des millions de kilomètres de là, au centre de notre soleil.
Ici sur Terre, les scientifiques tentent de reproduire les conditions chaudes et denses qui conduisent à la fusion. Au centre d’une étoile, les pressions gravitationnelles et les températures élevées (environ 200 millions de degrés Fahrenheit) dynamisent et rapprochent suffisamment les atomes pour fusionner leurs noyaux et générer un excès d’énergie.
« L’objectif final de la recherche sur la fusion est de reproduire un processus qui se produit tout le temps dans les étoiles », explique Arianna Gleason, scientifique au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie. « Deux atomes légers se réunissent et fusionnent pour former un seul noyau plus lourd et plus stable. En conséquence, l’excès de masse (le noyau a moins de masse que les deux qui l’ont formé) est converti en énergie et emporté. »
Cette masse restante (m) devient de l’énergie (E) grâce à la célèbre équation E=mc2 d’Einstein. Réaliser la fusion sur Terre est étonnamment simple et a été réalisé à plusieurs reprises au cours des dernières décennies à l’aide d’une large gamme d’appareils. Le plus difficile est de rendre le processus autonome, de sorte qu’un événement de fusion entraîne le suivant pour créer un « plasma brûlant » soutenu qui pourrait finalement générer une énergie propre, sûre et abondante pour alimenter le réseau électrique.
« Vous pouvez considérer cela comme le déclenchement d’une allumette », explique Alan Fry. directeur de projet pour la mise à niveau Matter in Extreme Conditions Petawatt du SLAC (MEC-U). « Une fois allumée, la flamme continue de brûler. Sur Terre, nous devons créer les bonnes conditions – densité et température très élevées – pour que le processus se produise, et l’un des moyens d’y parvenir est d’utiliser des lasers. »
Entrez dans l’énergie de fusion inertielle, ou IFE, une approche potentielle pour construire une centrale électrique à fusion commerciale utilisant du combustible de fusion et des lasers. IFE a enregistré une augmentation soutien national puisque les scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont à plusieurs reprises démontré réactions de fusion qui ont produit un gain énergétique net pour la première fois au monde.
« Avec des faisceaux laser intenses, nous avons obtenu l’allumage, ce qui signifie que nous avons extrait plus d’énergie d’une cible de fusion que l’énergie laser qui y était injectée », a expliqué Siegfried Glenzer, professeur de science des photons et directeur de la division scientifique à haute densité d’énergie du SLAC.
Fusion par confinement inertiel : comment ça marche
La technique utilisée au NIF, connue sous le nom de fusion par confinement inertiel, est l’une des deux principales idées explorées pour la création d’une source d’énergie de fusion. L’autre, connue sous le nom de fusion par confinement magnétique, utilise des champs magnétiques pour contenir le combustible de fusion sous forme de plasma.
Avec la fusion par confinement inertiel, le plasma est créé à l’aide de lasers intenses et d’une petite pastille remplie d’hydrogène, généralement du deutérium et du tritium, des isotopes avec respectivement un et deux neutrons dans le noyau. La pastille est entourée d’un matériau léger qui se vaporise vers l’extérieur lorsqu’il est chauffé par les lasers. Et lorsque cela se produit, il y a une nette réaction intérieure, provoquant une implosion.
« Il s’agit essentiellement d’une fusée sphérique », explique Fry. « En éjectant les gaz d’échappement vers l’extérieur, il entraîne la fusée dans la direction opposée. Dans ce cas, le matériau vaporisé à l’extérieur de la pastille pousse les isotopes d’hydrogène vers le centre. »
Les lasers doivent être appliqués avec précision pour qu’une onde de choc symétrique se déplace vers le centre du mélange d’hydrogène, créant ainsi la température et la densité nécessaires pour démarrer la réaction de fusion. Les événements d’allumage du NIF utilisent 192 faisceaux laser pour créer cette implosion et provoquer la fusion des isotopes.
« La technologie laser et notre compréhension du processus de fusion ont progressé si rapidement que nous sommes désormais capables d’utiliser le confinement laser pour créer un plasma brûlant à partir de chaque événement de fusion », a déclaré Gleason.
Des lasers plus rapides et plus efficaces
Mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir. Les lasers utilisés pour l’énergie de fusion inertielle doivent pouvoir tirer plus rapidement et devenir plus efficaces électriquement, disent les experts.
Les lasers du NIF sont si grands et si complexes qu’ils ne peuvent tirer qu’environ trois fois par jour. Pour atteindre une source d’énergie de fusion inertielle, a déclaré Glenzer, « nous avons besoin de lasers capables de fonctionner 10 fois par seconde. Nous devons donc fusionner les résultats de la fusion NIF avec des technologies efficaces de laser et de cibles à combustible ».
Fry utilise l’analogie d’un piston dans un cylindre de voiture pour décrire comment les réactions de fusion individuelles s’additionnent pour générer une puissance soutenue. « Chaque fois que vous injectez du carburant et que vous l’allumez, celui-ci se dilate et pousse le piston de votre moteur », a-t-il déclaré. « Pour faire bouger votre voiture, vous devez le faire encore et encore à des milliers de tours par minute, ou des dizaines de fois par seconde, et c’est exactement ce que nous devons faire avec l’énergie de fusion inertielle pour la transformer en une énergie viable et continue. » , source d’énergie durable.
« Pour atteindre le gain d’énergie nécessaire à une usine pilote de fusion, nous devons passer d’environ deux fois plus d’énergie à la sortie qu’à l’entrée (le gain actuel des expériences NIF) à un gain d’énergie de 10 à 20 fois supérieur à l’énergie laser que nous y mettons, « , a déclaré Glenzer. « Nous avons des simulations qui nous montrent que ce n’est pas un objectif déraisonnable, mais qu’il faudra beaucoup de travail pour y parvenir. »
De plus, les estimations actuelles du gain d’énergie dû à l’allumage n’incluent pas toute l’énergie ou l’électricité nécessaire pour réaliser ce tir laser. Pour faire d’IFE une solution énergétique, il faut que l’ensemble du système, ou l’efficacité de la prise murale, augmente, ce qui nécessitera des progrès dans les deux sens : plus d’énergie provenant de la réaction de fusion et moins d’énergie injectée dans le laser, explique Fry.
Le récemment annoncé Les pôles scientifiques et technologiques de l’énergie de fusion inertielle parrainés par le DOE rassemblent l’expertise de plusieurs institutions pour relever ces défis.
SLAC est partenaire de deux des trois pôles, apportant l’expertise et les capacités du laboratoire en matière d’expériences laser à taux de répétition élevé, de systèmes laser et de toutes les technologies associées.
« Les nouvelles installations laser prévues à l’Université d’État du Colorado et au SLAC constituent un développement passionnant », déclare Glenzer, directeur adjoint du centre RISE dirigé par la CSU. La haute puissance installation laser au CSU et le projet MEC-U à la source de lumière cohérente Linac du SLAC seront basés sur la dernière architecture laser et fourniront des impulsions laser à 10 tirs par seconde.
« LCLS utilise des lasers depuis dix ans à plus de 100 tirs par seconde, ce qui signifie que nous disposons d’une très solide expertise technologique pour réaliser des expériences à taux de répétition élevé », a déclaré Glenzer. « Nous avons développé de nouvelles cibles, diagnostics et détecteurs qui peuvent tirer parti des taux de répétition élevés et qui sont assez uniques dans ce domaine et correspondent bien à ce que nous voulons réaliser avec l’IFE. »
Mais il reste encore beaucoup à apprendre sur la façon de frapper avec précision une cible au centre d’une chambre 10 fois par seconde de manière à ce que les débris de la cible et la puissance de fusion n’affectent ou n’endommagent pas les lasers ou l’insertion de la cible.
En tant que partenaire du hub STARFIRE dirigé par LLNL, le SLAC contribuera à la création d’exigences techniques détaillées pour les systèmes laser pour IFE qui sont étroitement liées à celles qui seront construites pour le projet MEC-U en cours au SLAC, a déclaré Fry.
« Les lasers avancés du MEC-U utiliseront un moyen plus efficace d’acheminer l’énergie vers le laser et un système de refroidissement avancé pour fonctionner à un taux de répétition plus élevé. Les technologies que nous développons et les questions scientifiques auxquelles nous pouvons répondre grâce à elles sont convaincant pour l’IFE. »
De plus, les rayons X ultra-lumineux du LCLS peuvent aider les scientifiques à comprendre ce qui se passe dans le combustible hydrogène lors de sa fusion, ou ce qui se passe dans le matériau qui est soufflé de la pastille pour provoquer l’implosion.
Mettre les matériaux – et les personnes – au travail
En fait, les matériaux jouent un rôle clé dans le développement de l’IFE, explique Gleason. » Utiliser des lasers pour imploser une cible de manière uniforme et sphérique est si difficile car les matériaux sont toujours défectueux : il y a une dislocation, un défaut, une inhomogénéité chimique, une rugosité de surface, une porosité à la méso-échelle. Bref, il y a toujours des variations et des défauts dans matériaux. »
L’une des choses qui la passionne est de mieux comprendre les matériaux impliqués dans l’IFE au niveau atomique afin de tester et d’affiner les modèles physiques pour des conceptions IFE spécifiques, a-t-elle déclaré.
« Chez SLAC, nous disposons d’outils phénoménaux pour examiner en profondeur les matériaux. En comprenant la physique des imperfections, nous pouvons transformer leurs « défauts » en caractéristiques qui peuvent être prises en compte dans leur conception. Nous pouvons avoir de nombreux boutons à actionner pour régler la compression. dans le processus de fusion.
Un autre grand défi que les trois chercheurs souhaitent relever est celui de constituer la main-d’œuvre nécessaire pour mener la recherche et gérer les installations d’énergie de fusion du futur.
Les pôles incluent un financement pour la participation des étudiants, a déclaré Glenzer. « Nous formerons la prochaine génération de scientifiques et de techniciens pour tirer parti de ces nouvelles capacités. »
Fry et Gleason tiennent également à attirer des gens dans ce domaine afin que l’énergie de fusion, à mesure qu’elle se développe, soit une entreprise inclusive.
« Nous allons avoir besoin d’ingénieurs, de techniciens, d’opérateurs, de professionnels des ressources humaines et des achats, etc. », a déclaré Gleason. « Je pense que beaucoup de jeunes peuvent se rallier à la fusion et se sentir responsabilisés en faisant quelque chose qui fait reculer la crise climatique : ils veulent voir un changement dans leur vie. »
Glenzer est convaincu que ce sera le cas. « Les gens pensaient qu’il faudrait 30 ans pour construire une centrale d’énergie de fusion, mais la récente percée en matière d’allumage a rapproché cette perspective de la réalité. Nous avons déjà augmenté le gain de fusion de 1 000 au cours des 10 dernières années de travail au NIF », il a dit.
« Le potentiel d’une source d’énergie propre, équitable et abondante – et toute la science et la technologie qui accompagne le développement de l’énergie de fusion – est très excitant. »
LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les pôles d’énergie de fusion ont été formés par le programme IFE-STAR (Inertial Fusion Energy Science & Technology Accelerator Research) du DOE.