Dans la chambre cible de la National Ignition Facility, 192 faisceaux laser sont focalisés sur des pastilles de combustible de fusion de la taille d’un grain de poivre.
Lawrence Livermore National Laboratory
En octobre 2010, dans un bâtiment de la taille de trois terrains de football américain, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont mis sous tension 192 faisceaux laser, ont concentré leur énergie en une impulsion ayant le punch d’un camion à grande vitesse, et l’ont tirée sur une pastille de combustible nucléaire de la taille d’un grain de poivre. C’est ainsi qu’a débuté la campagne du National Ignition Facility (NIF) pour atteindre l’objectif qui lui a donné son nom : déclencher 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 pétillement 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 de 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 combustion de fusion soutenue par la chaleur de la réaction elle-même plutôt que par l’apport d’énergie laser.
L’auto-chauffage est la clé pour brûler tout le combustible et obtenir un gain d’énergie fulgurant. Une fois que le NIF aura atteint le seuil, les simulations suggèrent qu’il aura un chemin plus facile vers l’allumage, dit Mark Herrmann, qui supervise le programme de fusion de Livermore. « Nous poussons aussi fort que nous le pouvons », dit-il. « Vous pouvez sentir l’accélération de notre compréhension ». Les personnes extérieures sont également impressionnées. « On sent que les progrès sont constants et qu’il y a moins d’incertitudes », déclare Steven Rose, codirecteur du Centre for Inertial Fusion Studies à l’Imperial College de Londres. « Ils s’éloignent des conceptions traditionnellement retenues et essaient de nouvelles choses. »
Le NIF pourrait ne pas avoir le luxe du temps, cependant. La proportion de tirs NIF consacrés à l’effort d’allumage a été réduite d’un sommet de près de 60% en 2012 à moins de 30% aujourd’hui pour réserver plus de tirs pour l’intendance du stock – des expériences qui simulent des détonations nucléaires pour aider à vérifier la fiabilité des ogives. Ces dernières années, les demandes budgétaires présidentielles 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 du NIF, l’administration nationale de la sécurité nucléaire (NNSA), examine les progrès de la machine pour la première fois en cinq ans. Sous la pression de la modernisation de l’arsenal nucléaire, l’agence pourrait décider de s’orienter davantage vers la gestion des stocks. « Le programme d’allumage sera-t-il évincé ? » demande Mike Dunne, qui a dirigé les efforts de Livermore en matière d’énergie de fusion de 2010 à 2014. « Le jury n’a pas encore décidé. »
La fusion a longtemps été présentée comme une source d’énergie sans carbone, alimentée par des isotopes d’hydrogène facilement disponibles et ne produisant aucun déchet radioactif à longue durée de vie. Mais elle reste un rêve lointain, même pour les fours magnétiques en forme de beignet à combustion lente comme le projet ITER en France, qui vise à obtenir un gain d’énergie quelque temps après 2035.
NIF et d’autres dispositifs de fusion inertielle ressembleraient moins à un four et plus à un moteur à combustion interne, produisant de l’énergie par des explosions à feu rapide des diminutives pastilles de combustible. Alors que certains lasers de fusion dirigent leurs faisceaux directement sur les pastilles, les tirs du NIF sont indirects : les faisceaux chauffent une boîte en or de la taille d’une gomme à crayon appelée hohlraum, qui émet une impulsion de rayons X destinée à allumer la fusion en chauffant la capsule de combustible en son centre à des dizaines de millions de degrés et en la comprimant à des milliards d’atmosphères.
Mais les tirs effectués au cours des trois premières années de la campagne d’allumage n’ont donné qu’environ 1 kilojoule (kJ) d’énergie chacun, soit moins que les 21 kJ pompés dans la capsule par l’impulsion de rayons X et bien moins que les 1,8 mégajoules (MJ) de l’impulsion laser initiale. Siegfried Glenzer, qui a dirigé la campagne initiale, déclare que l’équipe était « trop ambitieuse » quant à l’allumage. « Nous étions trop dépendants des simulations », dit 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 avoir une vue en 3D de l’endroit où les réactions de fusion se produisaient. Ils ont également adapté quatre de leurs faisceaux laser pour qu’ils produisent des impulsions ultracourtes de haute puissance quelques instants après l’implosion, afin de vaporiser de fins fils à proximité de la cible. Ces fils agissent comme un flash à rayons X, capable de sonder le combustible pendant sa compression. « 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 des planètes géantes comme Jupiter. (Environ 10% des tirs du NIF sont consacrés à la science fondamentale.)
Avec leur vision plus aiguisée, les chercheurs ont traqué les fuites d’énergie de la pastille de combustible en implosion. L’une d’elles est apparue à l’endroit où un minuscule tube injectait le combustible dans la capsule avant le tir. Pour colmater la fuite, l’équipe a rendu le tube encore plus fin. D’autres fuites provenaient de l’enveloppe en plastique de la capsule. Les chercheurs ont donc revu la fabrication afin d’éliminer les imperfections d’un millionième de mètre seulement. L’amélioration des diagnostics « aide vraiment les scientifiques à comprendre quelles améliorations sont nécessaires », déclare Mingsheng Wei du Laboratory for Laser Energetics de l’Université de Rochester.
Fire by trial
Le National Ignition Facility s’est rapproché de l’allumage par fusion – faire sortir plus d’énergie qu’il n’en entre – en modifiant ses impulsions laser et ses cibles. Il s’est même rapproché 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 augmentaient lentement la puissance, pour éviter de chauffer le combustible trop rapidement et de le rendre plus difficile à comprimer. Les impulsions ultérieures montaient en puissance de manière plus agressive afin que la capsule en plastique ait moins de temps pour se mélanger au combustible pendant la compression, une tactique qui a quelque peu dopé les rendements.
Dans la campagne actuelle, commencée en 2017, les chercheurs augmentent les températures en agrandissant le hohlraum et la capsule jusqu’à 20 %, ce qui augmente l’énergie des rayons X que la capsule peut absorber. Pour augmenter la pression, ils prolongent la durée de l’impulsion et passent des capsules en plastique à celles en diamant, plus denses, pour comprimer le combustible plus efficacement.
Le NIF a obtenu à plusieurs reprises des rendements proches de 60 kJ. Mais Herrmann affirme qu’un tir récent, discuté lors de la réunion de la division de la physique des plasmas de l’American Physical Society au début du mois, a dépassé ce chiffre. Des tirs répétés sont prévus pour évaluer dans quelle mesure ils se sont rapprochés d’un plasma en combustion, qui devrait se produire autour de 100 kJ. « C’est assez excitant », dit-il.
Même à la compression maximale, les chercheurs du NIF pensent que seul le centre même du combustible est assez chaud pour fusionner. Mais, dans une découverte encourageante, ils voient des preuves que le point chaud reçoit un coup de pouce de chauffage des noyaux d’hélium en mouvement frénétique, ou particules alpha, créées par les réactions de fusion. Si le NIF peut pomper juste un peu plus d’énergie, il devrait déclencher une vague qui se précipitera hors du point chaud, brûlant le combustible au fur et à mesure.
Herrmann dit que l’équipe a encore quelques astuces à essayer – chacune d’entre elles pourrait conduire les températures et les pressions à des niveaux suffisamment élevés pour soutenir le plasma brûlant et l’allumage. Ils testent différentes formes de hohlraum pour mieux concentrer l’énergie sur la capsule. Ils expérimentent des capsules à double paroi qui pourraient piéger et transférer l’énergie des rayons X plus efficacement. Et en imbibant le combustible dans une mousse à l’intérieur de la capsule, plutôt que de le geler sous forme de glace sur les parois de la capsule, ils espèrent former un meilleur point chaud central.
Est-ce que cela sera suffisant pour atteindre l’allumage ? Si ces mesures ne suffisent pas, l’augmentation de l’énergie du laser serait la prochaine option. Les chercheurs du NIF ont testé des mises à niveau sur quatre des lignes de faisceaux et ont réussi à obtenir une augmentation d’énergie qui, si les mises à niveau étaient appliquées à tous les faisceaux, porterait l’installation complète à près de 3 MJ.
Ces mises à niveau prendraient, bien sûr, du temps et de l’argent que le NIF pourrait ne pas finir par 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 un optimiste. Nous pousserons le NIF aussi loin que possible.