192 faisceaux laser de haute énergie convergent sur une cible au centre d’un dispositif gigantesque pour reproduire les conditions de température et de pression d’une étoile. Photo: NIF
C’est un tournant dans la quête de la maîtrise de la fusion nucléaire : l’équipe du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) de la National Ignition Facility, en Californie, a obtenu pour la première fois un gain net d’énergie.
Autrement dit, elle vient de prouver que l’exploitation d’une telle source d’énergie est possible. Une quête poursuivie depuis plus de 60 ans !
Jusqu’ici, les expériences de fusion nucléaire menées dans le monde consommaient davantage d’énergie qu’elles n’en produisaient. Or, le but ultime de la fusion est de produire une énergie propre, décarbonée et quasiment inépuisable, en reproduisant ce qui se passe au cœur des étoiles.
« La maîtrise de la fusion en laboratoire est l’un des défis scientifiques les plus importants jamais relevés par l’humanité, et sa réalisation est un triomphe de la science, de l’ingénierie et, surtout, des humains », a déclaré la directrice du LLNL, Kim Budil, dans un communiqué.
« 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. 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.
Contrairement aux centrales nucléaires classiques, dans lesquelles on brise des atomes lourds comme l’uranium pour libérer de l’énergie (c’est la fission), la fusion consiste à forcer des atomes à s’unir, ce qui demande énormément d’énergie – mais peut en dégager encore davantage, en théorie. On utilise des atomes légers comme l’hydrogène et ses isotopes (le deutérium et le tritium). En fusionnant, ils forment un noyau plus lourd, mais de masse inférieure à la somme des masses initiales, d’où la production d’énergie.
Fusion inertielle
Il existe deux approches principales pour parvenir à faire fusionner des atomes en portant la matière à l’état de plasma : le confinement magnétique dans un « tokamak », un immense réacteur circulaire, (c’est le principe d’ITER) et l’utilisation de lasers ultrapuissants (c’est l’approche de la National Ignition Facility). On parle dans ce deuxième cas de fusion inertielle, ou fusion par confinement inertiel.
Cela consiste à apporter de l’énergie grâce à des impulsions laser très courtes et très puissantes à une petite quantité de deutérium et de tritium contenue dans une cible de quelques millimètres de diamètre. Le but : atteindre la pression et la température du cœur d’une étoile!
Le laboratoire américain utilise pour cela 192 lasers parmi les plus puissants du monde, qui convergent sur une cible de la taille d’un « grain de poivre ».
Déjà, en août 2021, les expériences s’étaient rapprochées du seuil d’ignition, seuil qui permet de récupérer autant d’énergie que ce qui a été fourni. Cette fois, l’expérience a permis de produire 3,15 mégajoules alors que la cible n’en avait reçu « que » 2,05. L’exploit est donc historique.
« Cela dit, 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.
Par ailleurs, on est encore très loin de pouvoir utiliser cette source d’énergie pour faire tourner des turbines ou des moteurs. Et rien ne dit que l’approche par laser soit la meilleure option pour y parvenir un jour. Même s’il souligne qu’il s’agit d’une étape importante dans le champ de la fusion nucléaire, Mahdi Khelfaoui précise que la National Ignition Facility a été conçue avec des objectifs militaires au départ. « L’approche inertielle demeure beaucoup plus énergivore que l’approche par confinement magnétique. Je ne pense pas que cette annonce disqualifie les autres projets et notamment ITER. »
Ce tour de force conforte tout de même les scientifiques sur la pertinence de cette voie énergétique… à très long terme. « 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 », rappelle Mahdi Khelfaoui.
