Pour atteindre la fusion, l’énergie laser de la National Ignition Facility est convertie en rayons X qui compriment une capsule de combustible jusqu’à ce qu’elle implose, créant un plasma à haute température et à haute pression. Photo: Lawrence Livermore National Laboratory
C’est un tournant dans la quête de la maîtrise de la fusion nucléaire : une équipe américaine a obtenu pour la première fois un gain d’énergie. Un pas de plus vers l’énergie du futur ?
Pourra-t-on un jour domestiquer et exploiter la fusion nucléaire, cette réaction qui se produit au cœur des étoiles ? C’est en tout cas le rêve de nombreux physiciens et physiciennes, qui y voient une source d’énergie propre, décarbonée et quasiment inépuisable.
Un pas historique vient d’être franchi sur ce terrain par l’équipe de la National Ignition Facility (NIF), au Lawrence Livermore National Laboratory, en Californie. Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à produire plus d’énergie grâce à une réaction de fusion nucléaire que la quantité d’énergie injectée pour enclencher la réaction. Un gain net, autrement dit ! L’équipe a ainsi atteint et même dépassé le seuil dit d’« ignition », prouvant par là même que la maîtrise de la fusion est possible.
« Le 5 décembre 2022 est un jour important pour la science, a déclaré Jill Hruby, sous-secrétaire à la sécurité nucléaire du Département américain de l’énergie, lors d’une conférence de presse organisée une semaine plus tard à Washington. Atteindre l’ignition dans une expérience de fusion contrôlée est un exploit qui couronne plus de 60 ans de recherche fondamentale, de développement, d’ingénierie et d’expérimentations. »
L’union fait l’énergie
La fusion est le mécanisme à l’œuvre dans les étoiles, mais aussi dans les bombes thermonucléaires. « On a déjà atteint l’ignition dans les bombes, mais toute la difficulté est de réussir à ralentir la réaction presque atome par atome pour la maîtriser », explique Liam Kieser, professeur au Département de physique à l’Université d’Ottawa.
Contrairement aux centrales nucléaires, dans lesquelles on brise des atomes lourds comme l’uranium pour libérer de l’énergie (c’est la fission), la fusion force des atomes légers à s’unir. En termes plus concrets, « la fusion consiste à prendre deux noyaux atomiques, à les envoyer l’un dans l’autre pour qu’ils fusionnent en dégageant de l’énergie », rappelait il y a quelques mois Alain Bécoulet en entrevue avec Québec Science. La manœuvre produit quatre fois plus d’énergie que la fission !
Ce physicien travaille à la construction d’un réacteur colossal de fusion nucléaire dans le sud de la France, ITER, qui tentera lui aussi de produire plus qu’il ne consomme. Dans ces laboratoires hors du commun, comme ITER ou la NIF, on utilise des « versions » de l’hydrogène qui ont des neutrons supplémentaires : le deutérium et le tritium. En fusionnant, ils forment un noyau d’hélium, plus lourd, mais de masse inférieure à la somme des masses initiales, d’où la libération d’énergie sous forme de neutrons.
Sauf que, pour vaincre la force de répulsion gigantesque qui empêche normalement deux atomes de s’approcher l’un de l’autre, il faut d’abord amener la matière à l’état de plasma, c’est-à-dire un gaz très chaud, formé d’ions positifs et d’électrons (des atomes « disloqués », en quelque sorte). L’énergie requise pour atteindre ces conditions est inimaginable, c’est pourquoi le point d’ignition a longtemps été inaccessible… On pouvait jusqu’ici obtenir un certain taux de fusion, mais pas assez pour que la réaction s’entretienne d’elle-même.
Le contenant qui abrite le type de cible utilisé pour atteindre l’ignition le 5 décembre 2022 à la National Ignition Facility. Photo: Lawrence Livermore National Laboratory
Des étoiles sur Terre
Deux approches expérimentales se font concurrence pour faire fusionner des atomes : l’approche magnétique, qui permet de confiner le plasma dans un grand réacteur circulaire appelé tokamak à l’aide d’aimants (c’est la voie d’ITER), et l’approche inertielle, qui repose sur l’utilisation de lasers. La NIF mise sur cette dernière, grâce à 192 lasers parmi les plus puissants du monde, qui convergent sur une cible de la taille d’un grain de poivre. Le but : atteindre pour un bref moment dans cette enceinte minuscule plusieurs millions de degrés Celsius !
Concrètement, l’expérience consiste à apporter de l’énergie à l’aide d’impulsions laser à une petite quantité de deutérium et de tritium contenue dans une capsule. Dans les faits, les lasers ne chauffent pas directement la cible, mais frappent plutôt les surfaces internes du cylindre où elle se trouve. Ces surfaces émettent en réaction des rayons X qui compriment violemment la capsule.
Déjà, en août 2021, les expériences de la NIF s’étaient rapprochées du seuil d’ignition, avec un rendement de 72 %. Cette fois, l’expérience a permis de produire 3,15 mégajoules alors que la cible n’en avait reçu « que » 2,05, un gain net de 1,1 mégajoule. Cela correspond à un rendement de 150 % environ.
Il s’agit donc bien d’une première mondiale, mais il y a de gros bémols à apporter. « Le gain est calculé à partir du rapport entre l’énergie produite par la réaction et l’énergie dirigée par les 192 lasers sur la cible, mais il ne prend pas en compte l’énergie nécessaire pour faire fonctionner le dispositif de 192 lasers, qui est de 322 mégajoules », nuance Mahdi Khelfaoui, spécialiste en histoire de l’énergie à l’Université du Québec à Trois-Rivières.
Une nuance de taille ! Au zénith de l’expérience qui n’a duré que quelques milliardièmes de seconde, les lasers pompaient environ 500 trillions de watts, soit une puissance supérieure à celle de l’ensemble du réseau national américain. « Disons que c’est une étape franchie parmi les nombreuses qui jalonnent le chemin, lance Liam Kieser. Espérons qu’il ne faudra pas encore attendre 70 ans pour pouvoir utiliser cette source d’énergie. »
À ce sujet, Kim Budil, directrice du Lawrence Livermore National Laboratory, s’est montrée optimiste lors de l’annonce, même si elle parlait malgré tout de décennies avant que la première centrale à fusion voie le jour. « Nos calculs suggèrent qu’un système de lasers à grande échelle pourrait atteindre des rendements de centaines de mégajoules. Mais on est très loin de cela. » Il faudra surmonter de nombreux obstacles d’ordre scientifique et technologique, selon elle, avant de parvenir à « allumer » la capsule plusieurs fois par minute, voire par seconde, et passer à l’échelle industrielle.
Le laboratoire où 192 faisceaux laser ont livré 2,05 mégajoules d’énergie ultraviolette à une minuscule pastille contenant du deutérium et du tritium. Photo: Lawrence Livermore National Laboratory
Compétition
Les projets comme ITER, basés sur l’approche magnétique, tombent-ils à l’eau avec cette annonce ? « L’approche inertielle [celle de la NIF] demeure beaucoup plus énergivore que l’approche par confinement magnétique. Je ne pense pas que cette annonce disqualifie les autres projets », avance Mahdi Khelfaoui.
Un avis que partage Liam Kieser. « L’approche par tokamak apparaît plus prometteuse pour atteindre un mode d’opération continu. Bien qu’il y ait aussi des défis : le plasma circulant à toute vitesse est très instable. Des particules peuvent dévier dans tous les sens et entraîner une perte rapide d’énergie », explique le physicien. En 2021, des scientifiques du consortium EUROfusion ont toutefois enregistré la production de 59 mégajoules pendant cinq secondes dans le Joint European Torus (JET), un tokamak en fonction au Royaume-Uni depuis les années 1980.
Et d’autres expériences (EAST en Chine, KSTAR en Corée) ont réussi au cours des dernières années à maintenir du plasma à plus de 100 millions de degrés Celsius pendant plusieurs secondes – sans toutefois franchir le fameux seuil.
Le tour de force de la NFI est donc une tape dans le dos pour les scientifiques qui croient en la pertinence de cette voie énergétique et travaillent pour les générations futures. « Les physiciens et les ingénieurs s’accordent pour dire qu’un passage au stade industriel de l’exploitation de cette énergie ne pourra se faire avant la fin de ce siècle, entre 2080 et 2100. Avec une telle échelle de temps, les incertitudes sont énormes et elles peuvent être de toutes sortes, pas juste scientifiques ou techniques, mais aussi sociopolitiques et économiques », souligne Mahdi Khelfaoui, qui rappelle par ailleurs que la NIF a été conçue avec des objectifs militaires au départ, et pas dans une optique de production d’énergie.
De son côté, le chantier d’ITER ne cesse d’accumuler les retards. Le premier plasma, prévu à l’origine pour 2025, ne devrait pas y circuler avant 2030, en raison de problèmes de soudure dans les pièces de la chambre à vide. « Le prérequis, c’est qu’ITER arrive à générer 10 fois plus d’énergie que ce qu’on y injecte initialement, nous expliquait Alain Bécoulet. C’est majeur, c’est l’une des grandes aventures de l’humanité. » L’humanité devra être patiente !
