Allumer la fusion

Nous sommes fin avril et les ouvriers assemblent les dernières parties du National Ignition Facility (NIF), un bâtiment tentaculaire couvrant la superficie de trois terrains de football au Lawrence Livermore National Laboratory à Livermore, en Californie. Vêtus de casques de sécurité, de filets à cheveux, de blouses de laboratoire et de gants en latex, ils se sont rassemblés dans la chambre cible, une sphère de 10 mètres de diamètre et hérissée de 48 conduits en aluminium bruni qui abritent ensemble 192 faisceaux laser séparés. Chaque faisceau à lui seul est l'un des plus puissants au monde, déclare Bruno Van Wonterghem, responsable des opérations chez NIF. Ensemble, ils fournissent 50 à 60 fois l'énergie de tout autre laser.

Les ouvriers se préparent à installer une pièce d'équipement clé, le capteur d'alignement de cible, à l'extrémité d'une flèche conique qui peut être étendue jusqu'au centre de la chambre. Les scientifiques utiliseront le capteur pour positionner une cartouche en or de la taille d'une gomme à crayon au centre de la sphère et l'aligner avec les faisceaux laser. Dans une série d'expériences au cours des prochains mois, si tout se passe comme prévu, ces lasers frapperont la cartouche d'or avec une impulsion de 3 à 20 nanosecondes, générant un bain de rayons X à haute énergie. Ceux-ci provoqueront à leur tour l'implosion d'une pastille de deux millimètres contenant des isotopes d'hydrogène. Toute cette énergie cinétique est transformée en chaleur, explique Van Wonterghem. La pastille d'hydrogène atteindra une température de 100 millions de °C et une densité 100 fois supérieure à celle du plomb, suffisamment pour démarrer une réaction de fusion.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2009

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La fusion, dans laquelle les noyaux atomiques se combinent pour former les atomes d'un nouvel élément, est la réaction clé qui alimente les bombes nucléaires et le soleil. (Dans les expériences du NIF, les isotopes de l'hydrogène se combinent pour former des noyaux d'hélium tout en libérant des neutrons et des rayons X.) Il a également longtemps été considéré comme une source potentielle d'énergie abondante, si seulement les réactions pouvaient être exploitées dans un cadre contrôlé. C'est un défi, car un plasma suffisamment chaud pour que les noyaux d'hydrogène y fusionnent est si chaud qu'il détruirait tout matériau de confinement. Les scientifiques ont conçu deux solutions générales. La première et la plus courante consiste à confiner le plasma dans un puissant champ électromagnétique. C'est ce qui est censé se produire pour le projet multinational ITER de 14 milliards de dollars en France, qui devrait être opérationnel d'ici 2018.

Le NIF adopte une approche fondamentalement différente. En utilisant des lasers pour comprimer le carburant hydrogène, il imitera la chaleur et la densité extrêmes à l'intérieur d'une étoile. La réaction de fusion qui en résulte est contrôlée non pas en la confinant électromagnétiquement mais en limitant la quantité de combustible. Le NIF produira une minuscule explosion thermonucléaire, si petite qu'elle pourra être étudiée dans une chambre de 10 mètres. En fait, la mission principale du NIF est de faire la lumière sur la physique à haute température et à haute densité, y compris les réactions dans les armes nucléaires, en recréant les conditions à l'intérieur des étoiles et des bombes.

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Les chercheurs débattent de l'approche qui sera la plus utile pour produire de l'électricité ; pour l'instant il est trop tôt pour en être sûr. Mais il semble probable que le NIF sera la première installation à franchir une étape importante dans la quête de la puissance de fusion laser : l'amorçage d'une réaction auto-entretenue qui produit plus d'énergie que celle fournie par le laser. Des expériences et des simulations informatiques antérieures suggèrent que les 192 lasers du NIF sont suffisamment puissants et précis pour déclencher une telle réaction en chaîne, qui continuera à brûler jusqu'à ce que le carburant hydrogène s'épuise.

Il reste encore d'énormes défis à relever avant que la fusion puisse être exploitée pour produire de l'électricité. Mais parvenir à une combustion par fusion contrôlée sera un événement incroyable, déclare Edward Moses, directeur associé principal chez Livermore qui est en charge du NIF. Nous pensons que nous arrivons à une nouvelle ère.

Lasers de tir
Allumer la fusion ne sera pas facile. Il nécessite une installation capable de rassembler de grandes quantités d'énergie mais de la contrôler avec une précision telle qu'elle puisse viser des cibles mesurées en micromètres. Cela, dit Ian Hutchinson, professeur de science et d'ingénierie nucléaires au MIT, sera une réalisation technologique incroyablement impressionnante.

Le même après-midi, lorsque des techniciens travaillaient à l'installation du capteur d'alignement de cible, d'autres ont commencé à se rassembler dans la salle de contrôle de l'installation, avec ses grands écrans et ses grappes de postes de travail. Ils se préparent pour un tir d'essai du laser, moins la pastille de fusion ; par mesure de sécurité, il est prévu pour la nuit, après que les baies laser et la chambre cible de l'installation aient été débarrassées des travailleurs.

Le tir du laser nécessite la définition de 60 000 points de contrôle différents. La séquence d'événements qui délivre l'impulsion laser à la cible est trop complexe pour le contrôle humain, dit Van Wonterghem, donc une fois les paramètres sélectionnés, un réseau de 1 500 ordinateurs prendra le relais et effectuera le compte à rebours final, avec les mains des chercheurs. planant près des nombreux boutons d'arrêt d'urgence disposés dans toute la pièce.

Si tout fonctionne, les lasers fourniront une impulsion de puissance 500 fois supérieure à la capacité de production d'électricité de pointe des États-Unis. L'impulsion déclenchera l'explosion thermonucléaire, créant essentiellement une petite étoile.

La mise sous tension
Des obstacles importants demeureront avant qu'un tel processus puisse être utilisé pour produire de l'électricité. Les réactions de fusion devraient produire 10 à 20 fois la quantité d'énergie délivrée par les lasers. Mais cela ne prend pas en compte l'énergie nécessaire pour fabriquer les lasers en premier lieu : convertir l'électricité en lumière laser est un processus inefficace. Pour compenser l'énergie gaspillée et produire suffisamment d'énergie supplémentaire pour générer de l'électricité, il faudrait des réactions de fusion qui génèrent environ 100 fois l'énergie fournie par les lasers.

S'exprimant dans un bureau encombré près du NIF, Moses dit qu'il existe au moins deux moyens potentiels de contourner ce problème. L'une nécessite la combinaison de deux impulsions laser dans un processus appelé allumage rapide. En théorie, cela pourrait réduire la quantité d'énergie laser nécessaire pour déclencher une réaction soutenue. NIF, cependant, n'est pas actuellement configuré pour cela; c'est une approche qui sera adoptée par d'autres projets de fusion laser actuellement en construction, et éventuellement par le NIF également.

L'autre approche, selon Moses, consiste à combiner la fusion avec la fission, la réaction utilisée dans les centrales nucléaires conventionnelles. Cette option n'offre pas la même perspective d'énergie presque illimitée que la fusion seule, mais elle pourrait augmenter de plusieurs ordres de grandeur la quantité d'énergie pouvant être extraite de l'uranium, améliorant considérablement cette source de combustible déjà abondante. Dans le même temps, il pourrait lever l'objection principale à la fission nucléaire en éliminant presque tous les déchets radioactifs à vie longue qu'il produit généralement. À l'heure actuelle, nous n'obtenons qu'un demi pour cent à 1 pour cent de l'énergie disponible, dit Moses. On peut en sortir plus de 99.

Les chercheurs du NIF ont développé un plan conceptuel détaillé pour associer fusion et fission. La raison pour laquelle les réacteurs nucléaires n'utilisent qu'une fraction de l'énergie contenue dans l'uranium est qu'à mesure que les produits de réaction s'accumulent, ils finissent par interférer avec les réactions en chaîne nécessaires pour continuer à produire de l'électricité. La fusion peut fournir un flux de neutrons qui peut maintenir ces réactions, en utilisant presque toute l'énergie du carburant.

Certes, tout le monde n'est pas d'accord pour dire que l'énergie de fusion laser fonctionnera. Et certains sceptiques se demandent si le NIF en particulier peut réaliser une fusion auto-entretenue, affirmant que l'installation ne peut pas produire d'impulsions laser suffisamment haute énergie sans endommager l'optique laser ou sans perdre la focalisation sur la cible nécessaire pour comprimer le carburant uniformément. Même si l'installation réalise une fusion soutenue, la production d'électricité dans une centrale électrique nécessiterait des lasers qui pourraient enflammer une nouvelle pastille de combustible 10 à 15 fois par seconde. Les lasers NIF, qui doivent être refroidis entre les tirs, peuvent être déclenchés au maximum une fois toutes les deux à quatre heures. Même si le NIF réussit aussi bien qu'espéré, il sera encore très loin d'être en mesure d'en faire une source d'énergie pratique, dit Hutchinson.

Le NIF a déjà vu quelques signes de succès. Plus tôt cette année, les 192 lasers ont été tirés en même temps et ont atteint des niveaux d'énergie suffisants pour déclencher la fusion. Pourtant, les projets laser antérieurs à Livermore étaient censés réaliser un allumage par fusion et ne l'ont pas fait. Bien que beaucoup de choses aient été apprises depuis lors, rien ne garantit que cela fonctionnera cette fois. La bonne nouvelle, c'est que les chercheurs ne tarderont pas à le savoir : après une série de tirs d'essai, ils espèrent réussir dans les deux prochaines années. Nous sommes impatients d'entendre les résultats, dit Hutchinson.

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