Les signaux de plasma brûlant font un pas en avant dans la course à la fusion nucléaire alors que les chercheurs obtiennent une plus grande capsule pour leur expérience à 192 lasers

Des scientifiques américains ont réussi à démontrer l’auto-échauffement du plasma dans une étape cruciale vers l’énergie de fusion auto-entretenue.

Des chercheurs du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie ont publié un article évalué par des pairs décrivant comment ils ont réussi à brûler du plasma – où la chaleur des noyaux en fusion prend le relais comme principale source de chauffage du carburant – à travers quatre expériences qui chacune produit plus de 100 kilojoules d’énergie.

Le résultat marque une étape importante vers la terre promise de la fusion nucléaire, mais n’est qu’une étape vers un véritable allumage – où une réaction auto-entretenue produira plus d’énergie qu’elle n’en entre. la route devant.

Pourtant, les chercheurs du NIF, une installation de sécurité de 3,5 milliards de dollars américains, soutiennent qu’il s’agit d’un pas en avant significatif.

Leur approche repose sur la fusion laser – par opposition à l’approche de fusion par confinement magnétique utilisée ailleurs – dans laquelle 192 lasers se concentrent sur un récipient cylindrique ou hohlraum. Ce pot de 120 mm sur 6 mm convertit l’énergie laser en rayons X qui chauffent une minuscule capsule de plasma en son centre. La capsule a des parois de carbone (diamant) à haute densité de 80 μm (micromètres) d’épaisseur et abrite le combustible nucléaire, un mélange d’isotopes d’hydrogène, deutérium et tritium.

Lorsque la surface extérieure de la capsule se réchauffe, elle se dilate, provoquant l’implosion du carburant à l’intérieur et atteignant une température de 50 millions de kelvins. Les conditions aboutissent à la fusion nucléaire – où deux noyaux se rejoignent et libèrent de l’énergie via la force nucléaire forte. Dans l’expérience, la fusion produit des particules alpha – deux protons et deux neutrons liés ensemble – qui à leur tour continuent à chauffer le combustible.

Plasma auto-chauffant : à gauche, des lasers chauffent l’intérieur d’un cylindre creux, appelé hohlraum, qui contient une capsule sphérique contenant un plasma des isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium. Sur la droite se trouve la configuration optimisée, augmentant la symétrie du plasma comprimé, entraînant une augmentation de l’énergie. Illustration : Zylstra et al

Le résultat est rapporté dans la revue scientifique Nature cette semaine, tandis que la conception expérimentale est rapportée dans Nature Physics. Dans un article d’accompagnement, le professeur de physique de l’Université York, Nigel Woolsey, a déclaré que la précision et le contrôle des expériences étaient “extraordinaires”.

Parler à Le registreWoolsey a déclaré: “Le travail de Livermore est vraiment important dans la mesure où ils ont réellement démontré la fusion laser. Pour le domaine – des gens comme moi – cela donne beaucoup de confiance et cela a suscité beaucoup d’enthousiasme.”

Les chercheurs ont décrit un processus itératif améliorant la conception. La dernière percée a été réalisée en augmentant la taille de la capsule car un plus grand volume de carburant conduit à un point chaud central plus efficace.

Le co-auteur de l’article, Alex Zylstra, a déclaré Le Reg: “En essayant d’agrandir la capsule, l’un des grands défis a été de maintenir tous les autres aspects du système. Nous voulons l’agrandir et garder tout le reste identique. Fondamentalement, il nous a fallu quelques années pour obtenir tout ça bien.”

La co-auteure Dr Annie Kritcher a déclaré: “Nous avions essayé une échelle légèrement plus grande et nous n’avons pas été en mesure d’optimiser toutes ces choses en même temps. Une autre chose a été d’optimiser l’épaisseur, la quantité de carburant qui s’y trouve pour donner un peu un peu plus de protection pour le plasma qui est au centre. Mais tout le long de la ligne est impacté et vous devez donc revenir en arrière et itérer », a-t-elle déclaré.

Développement précoce

Bien qu’il s’agisse d’une percée significative en termes de physique de la fusion nucléaire autonome, les chercheurs ne seraient pas attirés par ce que cela pourrait signifier pour les réacteurs à fusion pratiques.

Kritcher a déclaré: “Pour nous, il est plus réaliste de fixer un délai pour atteindre les jalons de la physique, car c’est ce que nous avons fait ici au National Ignition Facility, qui est un centre de recherche. Pour l’énergie de fusion sur le réseau, il y a tellement de plus d’aspects qui doivent être développés en termes de lasers, de développement de cibles et de réduction des coûts des cibles et, plusieurs autres choses aussi. Pour nous, il est vraiment difficile de mettre un calendrier sur ce type de développement technologique.

Woolsey de l’Université York a expliqué que bien que l’expérience ait produit plus d’énergie qu’elle n’atteignait la capsule cible, elle était loin de produire l’énergie qui est allée dans les lasers environnants.

“Ils ont démontré que le processus fonctionne, mais nous avons toutes les autres inefficacités”, a-t-il déclaré. “Vous auriez besoin de rendre le laser plus efficace que le laser qu’ils ont utilisé. Je ne sais pas nécessairement s’ils pourraient se permettre de le faire, mais je pense que nous avons les technologies qui nous permettraient de le faire. Les résultats ont montré l’approche est valable, elle sera faisable, mais pas nécessairement avec l’équipement dont nous disposons actuellement.”

Le résultat du NIF s’est joint à d’autres projets pour susciter l’enthousiasme autour de la fusion. D’autres projets incluent l’expérience de confinement magnétique du MIT, North Carolina Fusion, STEP au Royaume-Uni (qui cherche un site) et le réacteur thermonucléaire expérimental international financé et géré par la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Russie, la Corée du Sud et les États Unis.

Malgré les investissements importants déjà réalisés, des milliards de dollars supplémentaires seraient nécessaires pour fabriquer des réacteurs viables, ce qui pourrait encore prendre des décennies. Bien qu’il s’agisse d’une source d’énergie propre et prometteuse, à long terme, il est peu probable qu’elle vienne assez tôt pour être une solution à la crise climatique, qui, selon la conférence COP26, nécessite une action immédiate, a déclaré Woolsey. ®