La fusion nucléaire contrôlée a été un Saint Graal pour les physiciens qui recherchent un approvisionnement sans fin d'énergie propre. Les scientifiques de l'Université Rice, l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et l'Université du Chili ont offert un aperçu d'une nouvelle voie possible vers cet objectif.

Leur rapport sur la fusion à contrôle quantique avance l'idée qu'au lieu de chauffer les atomes à des températures trouvées à l'intérieur du soleil ou de les écraser dans un collisionneur, il pourrait être possible de les rapprocher suffisamment pour fusionner en utilisant des impulsions laser en forme :ultracourtes, éclats de lumière cohérente accordés.

Auteurs Peter Wolynes de Rice, Martin Gruebele de l'Illinois et l'ancien élève de l'Illinois Eduardo Berrios du Chili ont simulé des réactions en deux dimensions qui, si extrapolé à trois, pourrait simplement produire de l'énergie efficacement à partir de deutérium et de tritium ou d'autres éléments.

Leur article apparaît dans l'édition festschrift de Lettres Physiques Chimiques dédié à Ahmed Zewail, conseiller postdoctoral de Gruebele et lauréat du prix Nobel pour ses travaux sur la femtochimie, dans lequel des flashs laser d'une durée de femtoseconde déclenchent des réactions chimiques.

La technique femtochimique est au cœur de la nouvelle idée selon laquelle les noyaux peuvent être poussés suffisamment près pour surmonter la barrière de Coulomb qui force les atomes de charge similaire à se repousser. Lorsque cela est accompli, les atomes peuvent fusionner et libérer de la chaleur par diffusion de neutrons. Lorsque plus d'énergie est créée qu'il n'en faut pour maintenir la réaction, la fusion soutenue devient viable.

L'astuce est de faire tout cela de manière contrôlée, et les scientifiques poursuivent une telle astuce depuis des décennies, principalement en contenant des plasmas d'hydrogène à des températures semblables à celles du soleil (au National Ignition Facility du Département de l'énergie des États-Unis et à l'International Thermonuclear Experimental Reactor en France) et dans de grandes installations.

Le nouvel article décrit une simulation de preuve de principe de base qui montre comment, en deux dimensions, une impulsion laser façonnée pousserait une molécule de deutérium et de tritium, ses noyaux déjà en équilibre à une distance internucléaire beaucoup plus petite que dans un plasma, presque assez proche pour fusionner. "Ce qui les empêche de se réunir, c'est la charge positive des noyaux, et ces deux noyaux ont la plus petite charge, 1, " a déclaré Wolyne.

Il a déclaré que les simulations 2D étaient nécessaires pour que les calculs itératifs restent pratiques, même si cela nécessitait de retirer des électrons des molécules modèles. "La meilleure façon de le faire serait de laisser les électrons allumés pour aider le processus et contrôler leurs mouvements, mais c'est un problème de dimension supérieure que nous - ou quelqu'un - aborderons à l'avenir, " a déclaré Wolyne.

Sans les électrons, il était encore possible d'amener les noyaux dans une petite fraction d'angström en simulant les effets de la 5-femtoseconde façonnée, impulsions laser proche infrarouge, qui maintenait les noyaux ensemble dans une molécule « liée au champ ».

"Depuis des décennies, les chercheurs ont également étudié la fusion catalysée par muons, où l'électron dans la molécule de deutérium/tritium est remplacé par un muon, " dit Gruebele. " Pensez-y comme un électron 208 fois plus lourd. Par conséquent, la distance de liaison moléculaire diminue d'un facteur 200, préparer encore mieux les noyaux pour la fusion.

"Malheureusement, les muons ne vivent pas éternellement, et l'augmentation de l'efficacité de la fusion est loin d'atteindre le seuil de rentabilité de la production d'énergie, ", a-t-il déclaré. "Mais lorsque les impulsions laser ultraviolettes sous vide formées deviennent aussi disponibles que celles dans le proche infrarouge que nous avons simulées ici, le contrôle quantique de la fusion muonique pourrait lui permettre de dépasser le seuil."

Parce que le modèle fonctionne au niveau quantique - où les particules subatomiques sont soumises à des règles différentes et ont les caractéristiques à la fois des particules et des ondes - le principe d'incertitude de Heisenberg entre en jeu. Cela rend impossible de connaître l'emplacement précis des particules et rend le réglage des lasers un défi, dit Wolyne.

"Il est clair que le type d'impulsions dont vous avez besoin doit être hautement sculpté et contenir de nombreuses fréquences, " a-t-il dit. " Il faudra probablement expérimenter pour déterminer quelle devrait être la meilleure forme d'impulsion, mais le tritium est radioactif, donc personne ne veut jamais mettre du tritium dans son appareil jusqu'à ce qu'il soit sûr que ça va fonctionner. »

Wolynes a dit que lui et Gruebele, dont le laboratoire étudie le repliement des protéines, dynamique cellulaire, microscopie nanostructurée, comportement de nage des poissons et autres sujets, réfléchissent aux possibilités depuis environ une décennie, même si la fusion nucléaire est plus un passe-temps qu'une profession pour les deux. "Nous avons enfin eu le courage de dire, 'Bien, ça vaut la peine d'en dire quelque chose.

"Nous ne démarrons pas une entreprise... pour le moment, " a-t-il dit. " Mais il peut y avoir des angles ici que d'autres personnes peuvent penser qui conduirait à quelque chose de pratique même à court terme, telles que la production de courtes impulsions de particules alpha qui pourraient être utiles dans des applications de recherche.

"Je mentirais si je disais que quand nous avons commencé le calcul, Je n'espérais pas que cela résolve simplement les problèmes énergétiques de l'humanité, " dit Wolynes. " A ce stade, ce n'est pas le cas. D'autre part, Je pense que c'est une question intéressante qui nous lance sur une nouvelle voie."