L’ancien gouverneur de Californie, Arnold Schwarzenegger, a déclaré l’an dernier lors d’une visite dans le laboratoire :
« La technologie laser a le potentiel de révolutionner notre énergie future. Si elle aboutit, cette nouvelle démarche pourrait générer des milliers de mégawatts d’énergie nucléaire sans carbone, mais sans les inconvénients des centrales nucléaires conventionnelles. Ce type d’innovation est la raison pour laquelle nous sommes un leader mondial en sciences, technologies et énergies propres, et je ne pourrais pas être plus fier que ce travail se déroule ici en Californie ».
La percée s’est produite en un laps de temps incroyablement court, moins que ce qu’il faut à un rayon de lumière pour se déplacer d’un pouce. En cet instant minuscule, la fusion nucléaire comme source d’énergie est passée du rêve lointain à la réalité. Le monde est maintenant aux prises avec les implications de cette étape historique. Pour Arthur Pak et les innombrables autres scientifiques qui ont passé des décennies à atteindre ce stade, le travail ne fait que commencer.
Pak et ses collègues du Lawrence Livermore National Laboratory sont maintenant confrontés à une tâche colossale : Recommencer, mais en mieux et en plus grand.
Cela signifie qu’ils doivent perfectionner l’utilisation du plus grand laser du monde, situé dans la National Ignition Facility du laboratoire, que les amateurs de science-fiction reconnaîtront dans le film « Star Trek : Into Darkness », lorsqu’il a été utilisé comme décor pour le cœur de distorsion du vaisseau Enterprise.
Le 5 décembre, peu après 1 heure du matin, le laser a émis 192 faisceaux en trois impulsions soigneusement modulées sur un cylindre contenant une minuscule capsule de diamant remplie d’hydrogène, dans le but de déclencher la première réaction de fusion produisant plus d’énergie qu’il n’en faut pour la créer. Le succès a été au rendez-vous, ouvrant la voie à ce que les scientifiques espèrent être un jour une nouvelle source d’énergie sans carbone qui permettra aux humains d’exploiter la même source d’énergie que celle qui éclaire les étoiles.
M. Pak, qui a rejoint le laboratoire Lawrence Livermore près de San Francisco en 2010, s’est réveillé à 3 heures du matin ce jour-là, ne pouvant s’empêcher de vérifier les premiers résultats depuis son domicile de San Jose. Il a essayé de rester éveillé pour la piqûre elle-même, mais a fini par abandonner alors que les préparatifs minutieux de l’expérience se prolongeaient tard dans la nuit. « Si vous restez éveillé pour chaque injection, chaque fois pendant 10 ans, vous deviendrez fou », a-t-il déclaré.
Au cours des derniers mois, il était clair que son équipe se rapprochait et, dans l’obscurité de l’aube, il vérifiait un chiffre clé qui pouvait indiquer s’ils avaient réussi – le nombre de neutrons produits par l’explosion.
« Quand j’ai vu ce chiffre, j’ai été époustouflé », a-t-il déclaré.
« Vous pouvez travailler toute votre carrière et ne jamais voir ce moment. On le fait parce qu’on croit en la destination et qu’on aime le défi », a déclaré M. Pak, responsable des diagnostics sur l’expérience. « Lorsque les humains se rassemblent et travaillent collectivement, nous pouvons faire des choses étonnantes ».
L’équipe de Lawrence Livermore – un laboratoire de recherche financé par le gouvernement – effectuera probablement son prochain test en février, et plusieurs autres expériences suivront dans les mois suivants. L’objectif sera de continuer à augmenter la quantité d’énergie produite par la réaction. Cela signifie plus de bricolage : Utiliser plus d’énergie laser. Affiner l’explosion du laser. Générer plus de rayons X dans la cible – une étape clé du processus – en utilisant la même quantité d’énergie. Peut-être, finalement, moderniser l’installation elle-même, une décision qui nécessiterait l’adhésion du département de l’énergie et un financement énorme.
Tout cela prendra des années, voire des décennies, en commençant par les expériences du laboratoire Lawrence Livermore, qui ne durent que quelques nanosecondes.
« Nous devons comprendre : Pouvons-nous le rendre plus simple ? Pouvons-nous rendre ce processus plus facile et plus reproductible ? Pouvons-nous commencer à le faire plus d’une fois par jour ? » a déclaré Kim Budil, directeur du laboratoire Lawrence Livermore. « Chacun de ces points constitue pour nous un incroyable défi scientifique et d’ingénierie ».
La plupart des experts prévoient qu’il faudra encore au moins 20 à 30 ans pour que la technologie de la fusion devienne viable à une échelle suffisamment grande et abordable pour produire de l’énergie commerciale.
Ce délai place la fusion au-delà de la portée de l’utilisation significative pour atteindre les objectifs mondiaux d’émissions nettes nulles d’ici 2050.
En ce sens, la fusion pourrait être la source d’énergie sans carbone de l’avenir, mais pas de la transition énergétique mondiale actuelle qui se heurte à des obstacles constants.
La fusion captive l’imagination des scientifiques depuis des décennies. Elle est déjà utilisée pour donner aux armes nucléaires modernes leur puissance dévastatrice, mais le rêve est de l’adapter à la demande énergétique civile. Si l’on parvient à la porter à l’échelle, elle permettrait de créer des centrales électriques fournissant de l’électricité en abondance, jour et nuit, sans émettre de gaz à effet de serre. Et contrairement à l’énergie nucléaire actuelle, issue d’un processus appelé fission, elle ne créerait pas de déchets radioactifs à longue durée de vie. Des générations entières de scientifiques y ont travaillé. La conseillère scientifique en chef du président Joe Biden, Arati Prabhakar, a passé un été à travailler sur le programme de fusion laser du laboratoire alors qu’elle n’était qu’une étudiante de 19 ans, en 1978.
« C’est un exemple extraordinaire de ce que la persévérance peut accomplir », a-t-elle déclaré lors d’une conférence de presse la semaine dernière. « C’est ainsi que l’on réalise des choses vraiment grandes et difficiles ».
Fusion d’atomes
Le tir réussi du laser a produit des réactions de fusion générant 3,15 mégajoules de puissance, dépassant les 2,05 mégajoules transmis par le laser. Il s’agit d’un seuil important, la première fois qu’il y a plus d’énergie qui sort que celle qui entre par le laser. Mais l’équation doit s’orienter davantage vers la quantité d’énergie qui sort pour devenir commercialement viable.
Alors que les centrales nucléaires actuelles utilisent la fission, qui sépare les atomes, la fusion les réunit. Les chercheurs en fusion ont suivi deux voies principales. Lawrence Livermore, en utilisant un processus appelé confinement inertiel, fait exploser des cibles avec des faisceaux laser, faisant imploser une petite quantité d’hydrogène jusqu’à ce qu’il fusionne en hélium. Une centrale commerciale utilisant cette approche devrait répéter le processus encore et encore, extrêmement rapidement, pour générer suffisamment d’énergie pour alimenter le réseau électrique.
De nombreuses entreprises développent des systèmes de confinement inertiel, mais il existe des différences importantes. Certaines étudient différents matériaux pour la cible, tandis que d’autres utilisent des accélérateurs de particules au lieu de lasers, déclenchant la réaction de fusion par le choc des atomes.
La principale idée concurrente est le confinement magnétique, avec des systèmes qui créent un nuage de plasma, surchauffé à des centaines de millions de degrés, qui peut déclencher une réaction de fusion. De puissants aimants contrôlent le plasma et entretiennent la réaction. Cette approche n’a pas encore permis d’obtenir un gain énergétique net, et elle doit relever des défis, notamment le développement de meilleurs aimants et la création de matériaux capables de résister à des températures très élevées et d’être utilisés pour le conteneur destiné à contenir le plasma.
Selon le groupe commercial Fusion Industry Association, environ 5 milliards de dollars ont été investis à ce jour dans des entreprises spécialisées dans la fusion, dont la grande majorité dans les technologies de confinement magnétique.
Le confinement inertiel est peut-être mieux adapté pour prouver que la fusion peut fonctionner, a déclaré Adam Stein, directeur de l’innovation en matière d’énergie nucléaire au Breakthrough Institute, un groupe de recherche basé à Oakland, en Californie. Mais à long terme, lorsqu’il s’agit de commercialisation, « le confinement magnétique du plasma a plus de chances de réussir », a-t-il ajouté.
« Soyez optimiste »
Des années ont été consacrées au perfectionnement de chaque partie du processus au laboratoire Lawrence Livermore.
Une grande partie du succès est due à la précision. Les capsules de combustible présentent toutes d’infimes imperfections qui peuvent faire une différence significative dans le déroulement de la réaction. Il en va de même pour l’hydrogène congelé qu’elles contiennent, un mélange des isotopes deutérium et tritium. L’équipe produisait souvent la glace d’hydrogène, la faisait fondre et réessayait plusieurs fois avant un tir, dans l’espoir d’obtenir la meilleure cible possible et d’augmenter les chances de réussite.
Toute personne travaillant sur la fusion « doit être optimiste », a déclaré Denise Hinkel, une physicienne qui se concentre sur l’amélioration de la capacité de prédiction des simulations informatiques du programme et qui travaille à Lawerence Livermore depuis 30 ans. « Sinon, vous ne resteriez pas dans le domaine ».
D’ici cet été, le laser géant sera capable de délivrer environ 8 % d’énergie en plus que lors du tir de ce mois-ci, selon Jean-Michel Di Nicola, ingénieur en chef du laser du National Ignition Facility. Michael Stadermann, responsable du programme de fabrication des cibles, a déclaré que le laboratoire mettait également au point un programme informatique capable d’examiner les coques des capsules de combustible à la recherche de défauts bien plus rapidement que ne le ferait un être humain. Il travaille également avec le fabricant de la capsule pour améliorer le processus de fabrication.
Il est possible que la percée de Lawrence Livermore ne reste qu’un moment de l’histoire scientifique et qu’elle ne marque pas le début d’une nouvelle industrie de la fusion qui alimentera le monde entier. Le passage de l’expérimentation à la commercialisation pourrait prendre des décennies, si tant est qu’il ait lieu. Et le confinement magnétique pourrait finalement être la méthode de fusion qui l’emportera, fournissant au monde une énergie propre en abondance. M. Pak, un homme à la voix douce, aux cheveux bruns et à l’esprit vif, a déclaré que ce résultat ne le décevrait pas.
« Ils peuvent apprendre de nous, nous pouvons apprendre d’eux », a déclaré M. Pak, 40 ans. « Quand je serai un vieil homme, je serai vraiment satisfait de mes contributions ».
Source: Phys.org, le 3 janvier 2023
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