Approche d’un réacteur à fusion laser jalon » plasma brûlant »
Dans la chambre cible de la National Ignition Facility, 192 faisceaux laser sont concentrés sur des pastilles de combustible de fusion de la taille de grains de poivre.
Laboratoire national Lawrence Livermore
En octobre 2010, dans un bâtiment de la taille de trois États-Unis. sur les terrains de football, des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Livermore ont alimenté 192 faisceaux laser, concentré leur énergie en une impulsion avec le coup de poing d’un camion qui accélère et l’ont tirée sur une pastille de combustible nucléaire de la taille d’un grain de poivre. Ainsi a commencé une campagne de la National Ignition Facility (NIF) pour atteindre l’objectif qui porte son nom: allumer une réaction de fusion qui produit plus d’énergie que le laser n’en met.
Une décennie et près de 3000 tirs plus tard, le NIF génère toujours plus de fizz que de bang, gêné par le comportement complexe et mal compris des cibles laser lorsqu’elles se vaporisent et implosent. Mais avec de nouvelles conceptions de cibles et des formes d’impulsions laser, ainsi que de meilleurs outils pour surveiller les explosions miniatures, les chercheurs du NIF pensent qu’ils sont proches d’une étape intermédiaire importante connue sous le nom de « plasma brûlant »: une brûlure de fusion soutenue par la chaleur de la réaction elle-même plutôt que par l’apport d’énergie laser.
L’auto-échauffement est la clé pour brûler tout le carburant et obtenir un gain d’énergie excessif. Une fois que le NIF aura atteint le seuil, les simulations suggèrent qu’il aura un chemin plus facile vers l’allumage, explique Mark Herrmann, qui supervise le programme de fusion de Livermore. « Nous poussons aussi fort que possible », dit-il. « Vous pouvez sentir l’accélération de notre compréhension. »Les étrangers sont également impressionnés. « On a l’impression qu’il y a des progrès constants et moins de conjectures », explique Steven Rose, codirecteur du Centre d’études sur la fusion inertielle de l’Imperial College de Londres. « Ils s’éloignent des conceptions traditionnelles et essaient de nouvelles choses. »
Le NIF n’a peut-être pas le luxe du temps, cependant. La proportion des tirs de FNI consacrés à l’effort d’allumage a été réduite de près de 60% en 2012 à moins de 30% aujourd’hui pour réserver plus de tirs à la gestion des stocks — des expériences qui simulent des détonations nucléaires pour aider à vérifier la fiabilité des ogives. Les demandes budgétaires présidentielles de ces dernières années ont cherché à plusieurs reprises à réduire la recherche sur la fusion par confinement inertiel au NIF et ailleurs, pour que le Congrès la préserve. Le bailleur de fonds de la NIF, la National Nuclear Security Administration (NNSA), examine les progrès de la machine pour la première fois en 5 ans. Sous la pression de la modernisation de l’arsenal nucléaire, l’agence pourrait décider d’un nouveau virage vers la gestion des stocks. « Le programme d’allumage sera-t-il éliminé? » demande Mike Dunne, qui a dirigé les efforts d’énergie de fusion de Livermore de 2010 à 2014. » Le jury est sorti. »
La fusion a longtemps été considérée comme une source d’énergie sans carbone, alimentée par des isotopes d’hydrogène facilement disponibles et ne produisant aucun déchet radioactif à vie longue. Mais cela reste un rêve lointain, même pour les fours magnétiques à combustion lente en forme de beignet comme le projet France en France, qui vise un gain d’énergie après 2035.
Le NIF et d’autres dispositifs de fusion inertielle ressembleraient moins à un four qu’à un moteur à combustion interne, produisant de l’énergie par des explosions rapides des petites pastilles de combustible. Alors que certains lasers à fusion visent leurs faisceaux directement sur les pastilles, les tirs de NIF sont indirects: Les faisceaux chauffent une boîte d’or de la taille d’une gomme à effacer appelée hohlraum, qui émet une impulsion de rayons X destinée à allumer la fusion en chauffant la capsule de carburant en son centre à des dizaines de millions de degrés et en la comprimant à des milliards d’atmosphères.
Mais les tirs au cours des 3 premières années de la campagne d’allumage n’ont produit qu’environ 1 kilojoule (kJ) d’énergie chacun, en deçà des 21 kJ pompés dans la capsule par l’impulsion de rayons X et bien en deçà des 1,8 mégajoules (MJ) de l’impulsion laser d’origine. Siegfried Glenzer, qui a dirigé la campagne initiale, a déclaré que l’équipe était « trop ambitieuse » pour atteindre l’allumage. « Nous étions trop dépendants des simulations », explique Glenzer, maintenant au SLAC National Accelerator Laboratory.
Après l’échec de la campagne d’allumage, les chercheurs du NIF ont renforcé leurs instruments de diagnostic. Ils ont ajouté plus de détecteurs de neutrons pour leur donner une vue en 3D de l’endroit où les réactions de fusion se produisaient. Ils ont également adapté quatre de leurs faisceaux laser pour produire des impulsions ultracourtes de haute puissance quelques instants après l’implosion afin de vaporiser des fils minces proches de la cible. Les fils agissent comme une ampoule à rayons X, capable de sonder le carburant lorsqu’il se comprime. « C’est comme un scanner », explique le planétologue Raymond Jeanloz de l’Université de Californie à Berkeley, qui utilise le NIF pour reproduire les pressions au cœur de planètes géantes telles que Jupiter. (Environ 10% des clichés du NIF sont consacrés à la science fondamentale.)
Grâce à leur vision plus nette, les chercheurs ont traqué les fuites d’énergie de la pastille de carburant qui implose. L’un est arrivé au point où un petit tube a injecté du carburant dans la capsule avant le tir. Pour colmater la fuite, l’équipe a rendu le tube encore plus fin. D’autres fuites ont été retracées jusqu’à la coque en plastique de la capsule, de sorte que les chercheurs ont réorganisé la fabrication pour lisser les imperfections d’un millionième de mètre seulement. Les diagnostics améliorés « aident vraiment les scientifiques à comprendre quelles améliorations sont nécessaires », explique Mingsheng Wei du Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester.
Feu par essai
L’installation nationale d’allumage a fermé ses portes sur l’allumage par fusion — obtenant plus d’énergie qu’elle n’entre — en modifiant ses impulsions laser et ses cibles. Il est encore plus proche des températures et des pressions nécessaires à un objectif intermédiaire: un « plasma brûlant » auto-chauffant. »
L’équipe a également joué avec la forme des impulsions laser de 20 nanosecondes. Les premiers tirs ont augmenté lentement en puissance, pour éviter de chauffer le carburant trop rapidement et de le compacter plus difficilement. Les impulsions ultérieures se sont intensifiées de manière plus agressive, de sorte que la capsule en plastique avait moins de temps pour se mélanger au carburant pendant la compression, une tactique qui a quelque peu augmenté les rendements.
Au cours de la campagne actuelle, commencée en 2017, les chercheurs augmentent les températures en agrandissant le hohlraum et la capsule jusqu’à 20%, augmentant ainsi l’énergie des rayons X que la capsule peut absorber. Pour augmenter la pression, ils prolongent la durée de l’impulsion et passent de capsules en plastique à des capsules en diamant plus denses pour comprimer le carburant plus efficacement.
Le NIF a atteint à plusieurs reprises des rendements approchant les 60 kJ. Mais Herrmann dit qu’un tir récent, discuté lors de la réunion de la Division de la physique des plasmas de l’American Physical Society plus tôt ce mois-ci, a dépassé cela. Des tirs répétés sont prévus pour mesurer leur proximité avec un plasma brûlant, qui devrait se produire autour de 100 kJ. « C’est assez excitant », dit-il.
Même à compression maximale, les chercheurs du NIF pensent que seul le centre même du carburant est suffisamment chaud pour fusionner. Mais dans une découverte encourageante, ils voient des preuves que le point chaud reçoit un regain de chaleur à partir de noyaux d’hélium en mouvement frénétique, ou particules alpha, créés par les réactions de fusion. Si le NIF peut pomper un peu plus d’énergie, il devrait déclencher une vague qui sortira du point chaud, brûlant du carburant au fur et à mesure.
Herrmann dit que l’équipe a encore quelques astuces à essayer — chacune pouvant conduire les températures et les pressions à des niveaux suffisamment élevés pour soutenir la combustion du plasma et l’inflammation. Ils testent différentes formes de hohlraum pour mieux concentrer l’énergie sur la capsule. Ils expérimentent avec des capsules à double paroi qui pourraient piéger et transférer plus efficacement l’énergie des rayons X. Et en trempant le carburant dans une mousse à l’intérieur de la capsule, plutôt que de le congeler sous forme de glace sur les parois de la capsule, ils espèrent former un meilleur point chaud central.
Cela suffira-t-il pour atteindre l’allumage? Si ces étapes ne suffisent pas, augmenter l’énergie laser serait la prochaine option. Les chercheurs du NIF ont testé des mises à niveau sur quatre des lignes de faisceau et ont réussi à obtenir un regain d’énergie qui, si les mises à niveau étaient appliquées à tous les faisceaux, amènerait l’installation complète près de 3 MJ.
Ces mises à niveau nécessiteraient, bien sûr, du temps et de l’argent que NIF pourrait ne pas obtenir. Les scientifiques de la fusion au NIF et ailleurs attendent avec impatience les conclusions de l’examen de la NNSA. « Jusqu’où pouvons-nous aller? »Demande Herrmann. » Je suis optimiste. Nous pousserons NIF aussi loin que possible. »