Confirmation : une précédente expérience de fusion laser a franchi une étape décisive dans la production d’électricité
En décembre 2022, les scientifiques du National Ignition Facility (États-Unis) ont annoncé une étape historique : pour la première fois, leur réaction de fusion alimentée par laser a atteint le seuil de rentabilité, produisant plus d’énergie qu’elle n’en consomme.
Précédemment :
Mais des avancées aussi importantes doivent être rigoureusement vérifiées, ce qui peut prendre un certain temps.
Une série d’études (liens plus bas) détaillant la conception expérimentale, les avancées technologiques et les résultats de la réaction initiale viennent d’être soumis à un examen par les pairs, ce qui signifie que des chercheurs n’ayant pas participé aux travaux ont contrôlé les méthodes et les résultats afin de vérifier les sommes.
Selon les membres de l’équipe de la collaboration ICF (Indirect Drive ICF, fusion par confinement inertiel) dans la première des cinq études :
Cette réalisation est l’aboutissement de plus de cinq décennies de recherche et prouve que la fusion en laboratoire, basée sur des principes de physique fondamentale, est possible.
La fusion nucléaire, si elle est exploitée et mise à l’échelle, promet une source abondante et inépuisable d’énergie propre sans les émissions de gaz à effet de serre des combustibles fossiles ni les déchets radioactifs de la fission nucléaire. La fusion est la fusion… de deux atomes ou plus pour former un atome plus grand, libérant ainsi de l’énergie. Ces réactions en laboratoire sont très éloignées des applications commerciales, car elles imitent les réactions de fusion qui alimentent notre soleil et les étoiles à une échelle minuscule. En l’absence de la masse du Soleil pour assurer la force gravitationnelle, les méthodes de fusion d’atomes sur Terre reposent sur la chaleur.
Dans une réaction de fusion, les noyaux des deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium (contenant un neutron et un proton) et le tritium (deux neutrons et un proton), sont réunis sous l’effet de températures et de pressions extrêmes et fusionnent pour former un noyau d’hélium. Au cours de ce processus, une partie de la masse de l’hydrogène est libérée sous forme d’énergie. (Lawrence Livermore National Laboratory)
Dans le cas de cette technologie de fusion particulière, la chaleur est fournie par une puissante explosion de lumière. Les expériences consistent à bombarder une capsule contenant 220 microgrammes de deutérium et de tritium avec 192 lasers très puissants, ce qui porte la pression à 600 milliards d’atmosphères et la température à 151 millions de °C. Ces conditions, qui dépassent de loin celles qui règnent à l’intérieur du Soleil, provoquent l’implosion du combustible, la fusion des atomes de deutérium et de tritium en hélium et la libération de l’énergie.
Image d’entête : illustration en fausses couleurs de faisceaux laser irradiant un hohlraum du National Ignition Facility ayant la forme d’un ballon de rugby et contenant une capsule de combustible en aluminium, l’une des nouvelles cibles étudiées dans le cadre du système. Les faisceaux laser pénètrent dans la chambre de combustion par les trous d’entrée du laser et frappent l’intérieur de la chambre de combustion pour générer des rayons X. Les faisceaux laser sont disposés en deux parties, l’une à l’intérieur et l’autre à l’extérieur de la chambre de combustion. Les faisceaux laser sont disposés en deux cônes : un cône intérieur pointé vers l’hohlraum et un cône extérieur pointé vers les extrémités. L’allumage est réalisé lorsqu’une réaction de fusion auto-entretenue produit plus d’énergie que l’énergie laser délivrée à la cible. (Jacob Long/ Lawrence Livermore National Laboratory)
Lors de l’expérience décisive de décembre 2022, des lasers ont injecté 2,05 mégajoules (MJ) d’énergie dans le combustible, ce qui a permis de libérer 3,15 MJ, soit environ 1,5 fois plus d’énergie produite par la réaction que d’énergie injectée dans le combustible.
La chambre de visée du National Ignition Facility du LLNL, où 192 faisceaux laser ont délivré plus de 2 millions de joules d’énergie ultraviolette à une minuscule pastille de combustible pour créer l’allumage par fusion le 5 décembre 2022. (Livermore National Laboratory)
Les nouvelles études décrivent en détail les progrès qui ont permis d’atteindre le seuil de rentabilité, notamment en jouant sur le mélange de combustibles, en éliminant les défauts des parois de la capsule, en augmentant sa masse, en augmentant l’énergie des lasers et en augmentant le volume des combustibles utilisés. Le passage du seuil d’allumage a ouvert une nouvelle ère pour la recherche sur la fusion, qui n’a pas ralenti depuis : les chercheurs ont utilisé des lasers plus énergiques et ont produit encore plus d’énergie lors de plusieurs expériences menées l’année dernière.
Les chercheurs présentent également les résultats de l’une de ces expériences plus récentes, datant de la mi-2023, qui a généré 3,88 MJ d’énergie à partir du même apport énergétique de 2,05 MJ, soit environ 1,9 fois l’énergie injectée, ce qui représente le rendement le plus élevé à ce jour.
Il faut toutefois garder à l’esprit que d’énormes quantités d’énergie sont utilisées pour alimenter les lasers dans ces expériences : 500 trillions de watts, soit mille fois plus d’énergie que le réseau énergétique national des États-Unis n’en produit à chaque instant. Il reste donc un long chemin à parcourir avant que ces réactions de fusion ne génèrent plus d’énergie qu’il n’en faut pour les déclencher.
Malgré la promesse d’une énergie propre, les scientifiques soulignent également que la fusion nucléaire n’est pas la solution immédiate dont nous avons besoin pour lutter contre la crise climatique.
Selon Aneeqa Khan, chercheuse en fusion nucléaire à l’université de Manchester, il faudra encore des décennies pour mettre en place des installations commerciales de fusion nucléaire, alors que nous devons réduire de près de moitié les émissions mondiales de carbone au cours des six prochaines années, d’ici à 2030, pour inverser le cours des choses sur le plan climatique. Heureusement, nous disposons déjà des technologies d’énergie renouvelable pour y parvenir.
Les études publiées dans Physical Review Letters :
… et présentée dans cette même revue : Nuclear-Fusion Reaction Beats Breakeven.