La physique nucléaire fait généralement intervenir de hautes énergies, comme l'illustrent les expériences pour maîtriser la fusion nucléaire contrôlée. L'un des problèmes est de savoir comment surmonter la forte répulsion électrique entre les noyaux atomiques qui nécessite des énergies élevées pour les faire fusionner. Mais la fusion pourrait être initiée à des énergies plus basses avec des champs électromagnétiques générés, par exemple, par des lasers à électrons libres de pointe émettant des rayons X. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) décrivent comment cela pourrait être fait dans la revue Examen physique C .

Au cours de la fusion nucléaire, deux noyaux atomiques fusionnent en un nouveau noyau. En laboratoire, cela peut être fait par des accélérateurs de particules, lorsque les chercheurs utilisent des réactions de fusion pour créer des neutrons libres rapides pour d'autres expériences. A plus grande échelle, l'idée est de mettre en œuvre une fusion contrôlée de noyaux légers pour générer de l'énergie - avec le soleil agissant comme modèle :son énergie est le produit d'une série de réactions de fusion qui se déroulent à l'intérieur.

Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont travaillé sur des stratégies pour générer de l'énergie à partir de l'énergie de fusion. « D'une part, nous regardons une source d'énergie pratiquement illimitée. D'autre part, il y a tous les nombreux obstacles technologiques que nous voulons aider à surmonter par notre travail, " dit le professeur Ralf Schützhold, Directeur du Département de Physique Théorique au HZDR, décrivant la motivation de sa recherche.

Tunneling à un niveau élevé, bientôt accessible

Afin de déclencher la fusion nucléaire, vous devez d'abord surmonter la forte répulsion électrique entre les noyaux atomiques de même charge. Cela nécessite généralement des énergies élevées. Mais il y a une autre façon, explique le co-auteur de l'étude, Dr Friedemann Queißer :« S'il n'y a pas assez d'énergie disponible, la fusion peut être réalisée par tunnellisation. C'est un processus de mécanique quantique. Cela signifie que vous pouvez passer (c'est-à-dire, tunnel) à travers la barrière énergétique causée par la répulsion nucléaire à des énergies plus basses.

Il ne s'agit pas d'une construction théorique; cela arrive vraiment :les conditions de température et de pression dans le noyau solaire ne suffisent pas à franchir directement la barrière énergétique et à permettre la fusion des noyaux d'hydrogène. Mais la fusion se produit néanmoins parce que les conditions qui prévalent permettent à la réaction de fusion d'être entretenue grâce à un nombre suffisamment élevé de processus tunnel.

Dans leur travail actuel, les scientifiques du HZDR étudient si la fusion contrôlée pourrait être facilitée à l'aide de processus de tunnel utilisant le rayonnement. Mais c'est aussi une question d'énergie :plus elle est basse, moins il y a de probabilité de creuser un tunnel. Jusqu'à maintenant, l'intensité du rayonnement laser conventionnel était trop faible pour déclencher les processus.

XFEL et faisceaux d'électrons pour assister les réactions de fusion

Tout cela pourrait changer dans un proche avenir :avec les lasers à électrons libres à rayons X (XFEL), il est déjà possible d'atteindre des densités de puissance de 10^20 watts par centimètre carré. C'est l'équivalent d'environ mille fois l'énergie du soleil frappant la terre, concentré sur la surface d'une pièce d'un cent. « Nous avançons maintenant dans des domaines qui suggèrent la possibilité d'aider ces processus de tunnel avec de puissants lasers à rayons X, " dit Schützhold.

L'idée est que le champ électrique fort provoquant la répulsion des noyaux se superpose à un plus faible, mais changeant rapidement, champ électromagnétique pouvant être produit à l'aide d'un XFEL. Les chercheurs de Dresde ont étudié théoriquement le processus de fusion des isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. Cette réaction est actuellement considérée comme l'un des candidats les plus prometteurs pour les futures centrales à fusion. Les résultats montrent qu'il devrait être possible d'augmenter le taux d'effet tunnel de cette manière; un nombre suffisamment élevé de processus de tunneling pourrait éventuellement faciliter une réussite, réaction de fusion contrôlée.

Aujourd'hui, seulement une poignée de systèmes laser dans le monde avec le potentiel requis sont les fleurons des installations de recherche à grande échelle, comme ceux du Japon et des États-Unis - et en Allemagne où le laser le plus puissant au monde de ce type, le XFEL européen, se trouve dans la région de Hambourg. À la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF) qui s'y trouve, des expériences avec des flashs de rayons X ultra-courts et extrêmement brillants uniques sont prévues. HZDR est actuellement en train de construire HIBEF.

La prochaine étape des physiciens des champs forts de Dresde est de plonger encore plus profondément dans la théorie afin de mieux comprendre d'autres réactions de fusion et d'être en mesure d'évaluer leur potentiel pour aider les processus de tunnellisation avec le rayonnement. Des processus analogues ont déjà été observés dans des systèmes de laboratoire, comme les points quantiques en physique du solide ou les condensats de Bose-Einstein, mais dans la fusion nucléaire, la preuve expérimentale est toujours en attente. En pensant encore plus loin, les auteurs de l'étude pensent que d'autres sources de rayonnement pourraient éventuellement aider les processus de tunnellisation. Les premiers résultats théoriques sur les faisceaux d'électrons ont déjà été obtenus.