Plus tôt ce mois-ci, le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a annoncé au monde qu’il avait atteint un rendement record de 1,3 MJ à partir d’une expérience de fusion dans son National Ignition Facility (NIF). Mais qu’est-ce que cela signifie exactement ? Comme le note leur communiqué de presse, la principale avancée de ces résultats ira vers l’arsenal d’armes nucléaires des États-Unis.

Cela concerne spécifiquement les armes à fusion nucléaire des États-Unis, dont le LLNL, le Laboratoire national de Los Alamos (LANL) et d’autres installations sont impliqués dans la recherche et la maintenance. Cela remonte aux racines du NIF dans les années 1990, lorsque le programme de gestion des stocks a été mis en place comme alternative aux essais d’armes nucléaires. Une grande partie de cette recherche consiste à examiner comment les armes nucléaires d’aujourd’hui se dégradent au fil du temps et les moyens de moderniser l’arsenal existant.

À la lumière de cela, on peut se demander quel est l’impact de ces résultats expérimentaux du NIF au-delà de la simple garantie que le principe de MAD reste intact. Pour répondre à cette question, il faut s’intéresser à la fusion par confinement inertiel (ICF), qui est la technologie au cœur des expériences du NIF.

Tout va mieux avec les lasers

L’ICF est l’une des deux branches principales de la recherche sur la fusion, l’autre étant la fusion par confinement magnétique (MCF) qui comprend les tokamaks et les stellarators d’aujourd’hui. Tout comme avec l’optimisme initial de MCF et la déception écrasante lorsque la fusion par pincement en Z s’est avérée irréalisable, ICF a eu sa propre part de déceptions. Bien que cela ait été initialement considéré comme un moyen pratique de produire de l’énergie à partir de la fusion, il s’est rapidement avéré que les besoins en énergie pour initier (allumer) la fusion étaient beaucoup plus élevés que prévu et beaucoup moins faciles à réaliser.

MCF a trouvé une seconde vie sous la forme de recherches sur les tokamaks et les stellarateurs, qui étaient plus compliquées, mais promettaient de résoudre les problèmes de pincement en Z, en particulier les instabilités du plasma. L’ICF a pris un nouveau départ avec l’invention de lasers puissants, qui pourraient être suffisamment puissants pour chauffer le carburant et initier la fusion. Ce processus consiste à soumettre une sphère de carburant uniformément soit directement à l’énergie laser (entraînement direct), soit indirectement (entraînement indirect).

Laser Bay 2, l'une des deux baies laser de NIF
Laser Bay 2 au NIF.

Le LLNL est impliqué dans l’ICF depuis les années 1950, mais ce n’est que dans les années 1970, avec l’avènement de lasers plus puissants, que les premières expériences à haute puissance ont pu avoir lieu. Ceux-ci comprenaient le laser Shiva en 1978 et le laser Nova à partir de 1984. Ces deux systèmes laser n’ont pas réussi à s’allumer et n’ont obtenu que des résultats médiocres, principalement en raison de variations dans l’irradiation du faisceau laser.

Malgré un manque de financement pour la recherche sur la fusion dans les années 1980, les résultats de ces expériences ont finalement aidé LLNL à établir le NIF, qui peut être considéré comme le successeur des programmes laser Shiva et Nova. Grâce à son objectif principal de recherche pour le programme de gestion nucléaire des États-Unis, il a été assuré d’un financement, même si la construction du NIF prendrait beaucoup plus de temps que prévu à l’origine.

Similaire au NIF, la Z Pulsed Power Facility (également connue sous le nom de machine Z) des laboratoires nationaux Sandia au Nouveau-Mexique. Cette installation utilise le principe du pincement en Z, ce qui en fait un système MCF. Bien que le MCF à base de pincement en Z ait été rejeté comme voie de production d’électricité, il est néanmoins utile à des fins de recherche, ce qui en fait une partie importante du même programme de gestion nucléaire.

Mettre les choses en perspective

Chambre cible au National Ignition Facility
Chambre cible au National Ignition Facility de LLNL en 2008.

En résumé, les étapes de l’ICF pour réaliser la fusion impliquent de chauffer la surface de la cible de fusion, provoquant l’expansion de l’enveloppe de plasma résultante et comprimant ainsi le combustible. Cette compression augmente la température et la densité du carburant jusqu’à ce qu’il s’enflamme, ce qui signifie que les particules alpha issues de la fusion sont captées à l’intérieur du carburant et contribuent à son échauffement.

Cela provoque à son tour plus d’événements de fusion à l’intérieur du carburant, déclenchant une réaction en chaîne qui fusionne idéalement tout le carburant, libérant ainsi toute l’énergie potentielle.

Dans le cas du NIF, un laser de 500 TW (impulsion) est utilisé, délivrant toute l’énergie à la cible en quelques picosecondes. En raison des contraintes intenses sur le système laser, le NIF est limité à quelques centaines de tirs par an. Le combustible n’est généralement pas directement irradié par le laser, mais est contenu dans un Hohlraum, qui est un objet creux de forme spéciale qui, lorsque les faisceaux laser pénètrent dans la cavité (sans toucher la pastille de combustible), le fait émettre une longueur d’onde de rayonnement spécifique. . Dans le cas du NIF, ce Hohlraum est conçu pour produire des rayons X. Ce Hohlraum peut avoir deux trous d’entrée, ou plus, comme détaillé par exemple pour une conception de hohlraum à trois axes par Longyu Kuang et al.

Ces rayons X chauffent la pastille de combustible, ce qui déclenche le processus de fusion. L’avantage d’utiliser un Hohlraum est qu’il permet un chauffage uniforme de la pastille de combustible beaucoup plus simple. Même ainsi, les besoins énergétiques pour chauffer la pastille de combustible avec l’ICF sont immenses. Ceci est détaillé dans le diagramme suivant de l’entrée Wikipedia sur le NIF :

Énergie NIF pour cibler l'efficacité
Diagramme de l’énergie laser NIF aux rayons X hohlraum pour cibler l’efficacité du couplage énergétique de la capsule.

Il faut environ 422 MJ d’énergie pour alimenter le système laser (entrée totale du système), dont seul un pourcentage est converti en énergie du faisceau laser qui parvient finalement au Hohlraum. De cette énergie, la plupart contribue à la génération de rayons X dans le Hohlraum, dont seule une fraction contribue finalement à la compression de la pastille de combustible.

Lorsque l’on considère qu’il a fallu 422 MJ pour obtenir un retour d’environ 1,3 MJ de la cible de combustible, il n’est probablement pas nécessaire d’expliquer en détail pourquoi cette approche de la fusion est peu susceptible d’atteindre le point d’équilibre, c’est-à-dire un Q de 1. L’aspect notable ici est plutôt que cette quantité d’énergie libérée était de 70% de l’énergie laser d’entrée, ce qui signifie que l’allumage a été presque atteint.

Plus de VIE

Entre 2008 et 2013, LLNL a en fait travaillé sur l’effort de l’énergie de fusion inertielle laser (LIFE) qui visait à transformer les leçons du NIF en une centrale nucléaire à fusion, en utilisant des lasers à semi-conducteurs à semi-conducteurs et du combustible produit en masse. Pourtant, à la fin de la vie du projet, il était clair qu’une centrale électrique utilisant l’ICF était éminemment irréaliste, surtout à la lumière de l’allumage ICF n’ayant pas encore été réalisé.

Lorsque l’on compare les défis monumentaux auxquels ICF fait face pour concurrencer les approches MCF, les tokamaks JET et HL-2M ainsi que le stellarator Wendelstein-7X montrant des résultats très prometteurs en termes de stabilité et de chauffage du plasma, sans parler d’un facteur Q qui est incroyablement proche de 1, il devrait être clair qu’ICF n’est pas un acteur du futur jeu des centrales électriques, à moins d’une percée étonnante.

Cependant, les projets de l’ICF comme le NIF contribuent à accroître notre compréhension de la physique, non seulement de la physique nucléaire, mais aussi de celles liées aux systèmes laser extrêmement puissants et à la physique de l’énergie en général. Cela en soi fait de cet événement presque allumé au NIF quelque chose à applaudir.

[Heading image: Preamplifier at the National Ignition Facility by Lawrence Livermore National Laboratory CC-BY-SA 3.0]