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Edwin Cartlidge

Un système laser outsider pourrait être le mieux placé pour fournir une énergie de fusion compétitive.

Le laser à fluorure d'argon Electra du laboratoire de recherche navale des États-Unis. [J. Steffen, marine américaine]

Le 5 décembre 2022, des physiciens travaillant au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), aux États-Unis, ont enregistré une énorme explosion de neutrons dans leurs détecteurs expérimentaux. Le NIF est le plus grand laser au monde et il génère des réactions de fusion en implosant rapidement des pastilles d'isotopes d'hydrogène à l'aide d'éclairs de lumière énergétiques et d'une intensité exceptionnelle. Le déluge de neutrons a indiqué que les chercheurs avaient finalement réussi, après de nombreuses années d’essais, à « s’allumer », produisant environ 1,5 fois plus d’énergie que celle présente dans l’impulsion laser.

Cette réussite a suscité un regain d’optimisme quant au fait que la fusion pourrait produire la solution énergétique ultime : une source d’électricité de base abondante et verte qui ne crée aucun déchet radioactif à vie longue. Mais bien que les scientifiques aient salué le résultat, certains n’étaient pas convaincus que le NIF fournirait la technologie nécessaire à une centrale à fusion fonctionnelle.

Les lasers du NIF n'éclairent que les pôles d'une cible, lui permettant d'entrer dans les ouvertures à chaque extrémité d'un hohlraum (ci-dessus). [LLNL]

Le NIF s'appuie sur la fusion « à entraînement indirect », qui consiste à broyer des pastilles de combustible avec des rayons X produits en dirigeant les 192 faisceaux laser de l'installation vers une boîte en or, ou « hohlraum », entourant la pastille. Cette approche a ses vertus, notamment que les rayons X contribuent à rendre l'implosion plus douce. Mais de nombreux scientifiques affirment que la grande quantité d’énergie perdue lors de la génération des rayons X – environ les trois quarts du total – fait que ce projet ne permet pas d’exploiter le rendement de la fusion dans une centrale électrique commerciale.

Ces experts préconisent plutôt la « commande directe », conceptuellement plus simple. Cela implique de diriger des faisceaux laser sur la capsule de combustible elle-même, transférant en principe beaucoup plus d'énergie laser au combustible nucléaire tout en simplifiant la cible. Il n’est pas nécessaire de recourir à un hohlraum et les capsules pourraient potentiellement être fabriquées à l’aide de techniques et de matériaux moins coûteux.

Les recherches dans ce domaine se sont limitées à de petites cibles produisant de faibles rendements de fusion. Mais les scientifiques sont de plus en plus optimistes quant à la possibilité de faire fonctionner l’entraînement direct, en partie à cause de l’intérêt croissant pour l’énergie de fusion parmi les gouvernements et en particulier dans le secteur privé. De plus, comme le souligne Riccardo Betti de l'Université de Rochester, aux États-Unis, la technologie laser a fait d'énormes progrès ces dernières années, notamment en termes de capacité à fonctionner à des bandes passantes très élevées. Cette technologie, estime-t-il, « peut changer la donne » pour l’énergie de fusion.

Les scientifiques sont de plus en plus optimistes quant à la possibilité de faire fonctionner l’entraînement direct, en partie à cause de l’intérêt croissant pour l’énergie de fusion parmi les gouvernements et en particulier dans le secteur privé.

L’exploitation de l’énergie de fusion implique de confiner un plasma de noyaux légers – généralement du deutérium et du tritium – à des températures si élevées que les noyaux surmontent leur répulsion mutuelle et fusionnent, dégageant de l’énergie. Si le plasma peut être maintenu à des densités suffisamment élevées pendant suffisamment longtemps, alors les produits de réaction énergétiques (particules alpha) déposent suffisamment de chaleur pour produire une brûlure auto-entretenue, générant une inflammation et multipliant la production plusieurs fois.

Les physiciens ont suivi deux stratégies différentes pour y parvenir. On tente de maximiser le temps de confinement en maintenant un plasma assez raréfié à l'intérieur d'une grande chambre à l'aide d'aimants puissants. L’autre crée plutôt des densités exceptionnellement élevées pour un instant éphémère.

C’est dans la poursuite de cette deuxième approche, connue sous le nom de fusion par confinement inertiel, que sont utilisés des lasers de haute puissance et haute énergie. L'idée est de tirer des impulsions laser de toutes les directions sur une minuscule pastille de combustible de telle sorte que la couche externe de la pastille soit arrachée, et la conservation de l'impulsion force ensuite le reste vers l'intérieur à des vitesses énormes (la lumière à elle seule ne fournit pas suffisamment de pression de rayonnement).

[Agrandir le graphique] [Illustration par Phil Saunders]