Pour la première fois, une réaction de fusion nucléaire approche du seuil d’inflammation. › Nouvelles Geek

Alors que le défi climatique met la pression sur la recherche et le développement pour une énergie plus propre, les avancées récentes dans le domaine de la fusion nucléaire sont très encourageantes. Dans cet effort, des chercheurs du National Ignition Facility (NIF) affirment avoir obtenu récemment une première réaction de fusion énergétique « rentable » : l’énergie produite par la fusion plasma aurait été supérieure à celle absorbée par le combustible, même proche de celui-ci. . seuil d’inflammation (moment où une réaction nucléaire commence à s’auto-entretenir). Une première mondiale, une étape clé vers la conception des premiers réacteurs de fusion viables.

Un petit rappel s’impose : contrairement à la fission nucléaire, phénomène physique exploité par les centrales électriques actuelles, la fusion nucléaire consiste à provoquer l’assemblage d’atomes, comme cela se produit au cœur d’étoiles comme le Soleil, pour générer une grande taille. quantité d’énergie. Concernant la fission, l’énergie obtenue peut être calculée avec la formule d’Einstein E = mc².

Par rapport aux réacteurs à fission, il est prévu que les performances d’un réacteur à fusion viable soient bien supérieures, et surtout : le phénomène exploité est bien plus vrai, car il ne peut pas « s’emballer » dans une réaction en chaîne telle que . Produire avec fission nucléaire. Sans compter que les déchets nucléaires qui en résultent ne sont pas radioactifs et ne posent pas de problèmes majeurs en termes de stockage, comme c’est le cas pour le combustible nucléaire irradié, qui est toujours radioactif.

Première réaction de fusion avec rendement positif

« Ce résultat est une avancée historique pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel. […] C’est aussi un témoignage de l’innovation, de l’ingéniosité, de l’engagement et du courage de cette équipe et des nombreux chercheurs dans ce domaine qui, depuis des décennies, poursuivent inlassablement cet objectif », a déclaré Kim Budil, directeur du Lawrence Livermore National Laboratory (États-Unis). ).

Lors de la 63e réunion annuelle de la division de physique des plasmas de l’APS, une équipe de chercheurs dirigée par le Lawrence Livermore National Laboratory a présenté des résultats impressionnants obtenus au National Ignition Facility (NIF) : une réaction de fusion qu’ils ont obtenue récemment aurait atteint 1,3 MJ. , dépassant l’énergie absorbée par le carburant utilisé pour le déclencher et marque ainsi la première fois qu’une telle réaction a montré des performances positives.

« L’un des jalons scientifiques de la recherche sur la fusion par voie d’allumage est la création de « plasma chaud ». On parle de plasma brûlé lorsque l’énergie déposée par les particules alpha produites par fusion est la source dominante d’échauffement du plasma, c’est une étape nécessaire pour parvenir à l’allumage », peut-on lire dans le communiqué de la présentation.

Les chercheurs affirment avoir franchi plusieurs étapes clés concernant l’allumage : « Premièrement, le gain de combustible, où l’efficacité des neutrons dépasse l’énergie du combustible deutérium-tritium. Ceci est suivi d’un « chauffage alpha », où l’efficacité des neutrons est doublée en raison de l’énergie supplémentaire déposée dans le carburant en étouffant les particules alpha. Nous avons maintenant atteint l’état de plasma brûlant. Nous passerons en revue les nouvelles conceptions et expériences et comparerons les résultats avec les critères et paramètres de combustion du plasma », écrivent-ils dans leur déclaration. L’article rendant compte de ces derniers développements est déjà disponible sur le serveur de pré-publication arXiv et est en attente de publication dans la revue Nature.

La plus grande réussite, cependant, est le fait qu’il se serait approché du seuil d’allumage. Un élément de l’annonce quelque peu controversé pour le moment, mais accepté par de nombreux experts qui défendent le résultat : « Pour la plupart des personnes qui travaillent sur le terrain, la démonstration scientifique du processus d’allumage a été réalisée », déclare Jeremy Chittenden. de l’Imperial College de Londres.

Recréer un « petit soleil »

La fusion nucléaire consiste à recréer une petite étoile. Tout commence avec une capsule remplie de carburant composée de deutérium et de tritium, les isotopes les plus lourds de l’hydrogène. Cette capsule de carburant est placée dans une chambre en or creuse, de la taille d’une gomme à crayon, appelée hohlraum.

Illustration de lasers rayonnant dans un hohlraum doré contenant une capsule de carburant en aluminium. © Jacob Long

Une fois le combustible en place, pas moins de 192 faisceaux laser de forte puissance sont projetés sur le hohlraum, où ils sont convertis en rayons X. Ces rayons X font imploser la capsule de carburant, la réchauffant et la comprimant dans des conditions comparables à celles du centre d’une étoile, à des températures de plusieurs millions de degrés Celsius et des pressions des milliards de fois supérieures à celles de l’atmosphère terrestre, transformant la capsule de carburant en une petite boule de plasma.

Et, tout comme l’hydrogène fusionne en éléments plus lourds dans le cœur d’une étoile de la séquence principale, il en va de même pour le deutérium et le tritium dans la capsule à combustible. L’ensemble du processus ne prend que quelques milliardièmes de seconde. L’objectif est d’atteindre le seuil d’inflammation, c’est-à-dire le moment où une réaction nucléaire commence à être autosuffisante. Après cette étape, aucun apport d’énergie n’est nécessaire.

Dans une expérience menée le 8 août 2021, les chercheurs de cette nouvelle étude affirment avoir réalisé une fusion record au NIF, avec des puissances de fusion momentanées dépassant 1PW, et pour la première fois ils ont atteint le régime de combustion du plasma, où le chauffage alpha La quantité de fusion du combustible dépasse l’énergie fournie au combustible par compression. Le seuil d’inflammation aurait donc été très proche (et rien de plus), mais selon certains experts, ce résultat suffit à le prouver et à démontrer qu’il s’agit d’un objectif réaliste à court terme.

a) Les deux configurations expérimentales de hohlraum utilisées dans les expériences. Les lasers sont regroupés en quatre cônes dans les coins. La moitié des rayons pénètrent dans le hohlraum par un trou d’entrée en haut de la cible et l’autre moitié par le bas. b) Diagramme cunéiforme de la capsule, montrant les caractéristiques en fonction du rayon. c) Deux formes d’impulsions de faisceau laser représentatives (lignes pleines) sont présentées pour les expériences H&E et I-Raum et comparées aux températures de rayonnement mesurées (lignes pointillées). © James Ross et al.

Cette prouesse serait le résultat d’un travail de longue haleine pour améliorer la conception même du hohlraum et de la capsule à carburant. Des améliorations de la précision du laser, de nouveaux outils de diagnostic et des changements d’architecture générale pour augmenter le taux d’implosion de la capsule en font également partie.

« Atteindre le seuil d’inflammation en laboratoire reste l’un des grands défis scientifiques de notre époque et ce résultat est un pas considérable vers la réalisation de cet objectif », a déclaré le physicien Johan Frenje de Plasma Science and Fusion en août. Centre MIT.

arXiv