L'allumage est un processus clé qui amplifie la production d'énergie de la fusion nucléaire et pourrait fournir de l'énergie propre et répondre à d'énormes questions de physique.

Une nouvelle expérience semble avoir déclenché l'allumage pour la première fois, au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis, recréant les températures et les pressions extrêmes trouvées au cœur du Soleil.

Cela a produit plus d'énergie que n'importe quelle expérience précédente de fusion par confinement inertiel, et prouve que l'allumage est possible, ouvrant la voie à des réactions qui produisent plus d'énergie qu'il n'en faut pour démarrer.

Les physiciens de l'Imperial College de Londres aident déjà à analyser les données de l'expérience réussie, qui a eu lieu le 8 août 2021. Imperial a également produit plus de 30 doctorats. étudiants qui ont continué à travailler au NIF. Le Collège conserve des liens forts avec l'établissement, et d'autres dans le monde, par le Centre d'études sur la fusion inertielle (CIFS).

Un pas en avant important

Co-directeur du Centre d'études sur la fusion inertielle à l'Impériale, Professeur Jeremy Chittenden, a déclaré que "la démonstration de l'allumage a été un grand défi scientifique majeur depuis que l'idée a été publiée pour la première fois il y a près de 50 ans. C'était la principale raison de la construction de NIF et a été son objectif principal pendant plus d'une décennie."

"Après dix ans de progrès constants vers la démonstration de l'allumage, les résultats des expérimentations de l'année dernière ont été plus spectaculaires, car les petites améliorations de la production d'énergie de fusion sont fortement amplifiées par le processus d'allumage. Le rythme d'amélioration de la production d'énergie a été rapide, suggérant que nous pourrions bientôt atteindre d'autres jalons énergétiques, comme le dépassement de l'apport d'énergie des lasers utilisés pour démarrer le processus. »

"C'est crucial pour ouvrir la promesse de l'énergie de fusion et permettre aux physiciens de sonder les conditions dans certains des états les plus extrêmes de l'Univers, y compris ceux qui ont suivi le Big Bang. La fusion contrôlée en laboratoire est l'un des grands défis scientifiques déterminants de cette époque et c'est un pas en avant capital."

Co-directeur du Centre d'études sur la fusion inertielle à l'Impériale, Professeur Steven Rose, a déclaré que "l'équipe du NIF a fait un travail extraordinaire. C'est l'avancée la plus significative dans la fusion inertielle depuis ses débuts en 1972."

"Ce qui a été réalisé a complètement modifié le paysage de la fusion et nous pouvons maintenant nous attendre à utiliser des plasmas enflammés à la fois pour la découverte scientifique et la production d'énergie."

Atteindre l'allumage

Le type de réaction nucléaire qui alimente les centrales électriques actuelles est la fission, c'est-à-dire la division des atomes pour libérer de l'énergie. La fusion force plutôt les atomes d'hydrogène ensemble à gagner de l'énergie, produire une grande quantité d'énergie, et, de manière cruciale, déchets radioactifs limités.

Pour cette raison, un moyen de créer des réactions de fusion efficaces est recherché depuis des décennies pour produire de l'énergie propre en utilisant peu de ressources. Cependant, les réactions de fusion se sont avérées difficiles à contrôler et à ce jour, aucune expérience de fusion n'a produit plus d'énergie qu'il n'en a été nécessaire pour déclencher la réaction.

Alors que la dernière expérience nécessitait encore plus d'énergie qu'elle n'en sortait, il est le premier à atteindre l'étape cruciale de « l'allumage », qui a permis de produire beaucoup plus d'énergie que jamais auparavant, et ouvre la voie au « seuil de rentabilité », où l'énergie entrante correspond à l'énergie sortante.

Les chercheurs du monde entier essaient actuellement de produire de l'énergie de fusion de deux manières principales. Le NIF se concentre sur la fusion par confinement inertiel, qui utilise un système de lasers pour chauffer des pastilles de combustible produisant un plasma, un nuage d'ions chargés.

Les pastilles de combustible contiennent des versions « lourdes » d'hydrogène (deutérium et tritium) qui sont plus faciles à fusionner et produisent plus d'énergie. Cependant, les pastilles de combustible doivent être chauffées et pressurisées aux conditions trouvées au centre du Soleil, qui est un réacteur de fusion naturel.

Une fois ces conditions réunies, les réactions de fusion libèrent plusieurs particules, y compris les particules « alpha », qui interagissent avec le plasma environnant et le réchauffent davantage. Le plasma chauffé libère alors plus de particules alpha et ainsi de suite, dans une réaction auto-entretenue, un processus appelé allumage.

Cependant, ce processus n'a jamais été pleinement réalisé auparavant - jusqu'à maintenant. Les résultats de l'expérience du 8 août indiquent une production d'énergie de plus d'un méga-joule, qui marque le seuil convenu pour le début de « l'allumage » et est six fois l'énergie la plus élevée précédemment atteinte.

Arthur Turrell, du Département de physique de l'Impériale, et auteur du livre récemment publié The Star Builders :la fusion nucléaire et la course pour alimenter la planète , a déclaré que "Cette percée phénoménale nous rapproche d'une manière tentante d'une démonstration de" gain d'énergie net "des réactions de fusion, juste au moment où la planète en a besoin."

"L'équipe du National Ignition Facility, et leurs partenaires à travers le monde, méritent tous les éloges pour avoir surmonté certains des défis scientifiques et techniques les plus redoutables que l'humanité ait jamais relevés. L'extraordinaire libération d'énergie obtenue encouragera les efforts de fusion nucléaire dans le monde entier, donner de l'élan à une tendance qui était déjà bien amorcée. »

Territoire inexploré

Le professeur Chittenden a déclaré que « bien que le NIF soit principalement une expérience de physique, et n'a pas pour objectif principal de créer de l'énergie de fusion, ce résultat incroyable signifie que ce rêve est plus proche d'être une réalité. Nous avons maintenant prouvé qu'il est possible d'atteindre l'allumage, inspirer d'autres laboratoires et start-up dans le monde travaillant sur la production d'énergie de fusion pour essayer de réaliser les mêmes conditions en utilisant un plus simple, méthode plus robuste et surtout moins chère."

L'équipe impériale analyse actuellement les résultats de l'expérience, en utilisant des méthodes de diagnostic qu'ils ont créées pour comprendre ce qui se passe dans des conditions aussi extrêmes. Dr Brian Appelbe, Associé de recherche au Centre d'études sur la fusion inertielle à l'Impériale, a déclaré que "les lasers NIF ont déjà créé les conditions les plus extrêmes sur Terre, mais la nouvelle expérience semble avoir doublé la température précédente atteinte. Nous sommes entrés dans un régime dans lequel nous n'avions jamais été auparavant - c'est un territoire inexploré dans notre compréhension du plasma."

Dr Aidan Crilly, Associé de recherche au Centre d'études sur la fusion inertielle à l'Impériale, a ajouté que "reproduire les conditions au centre du Soleil nous permettra d'étudier des états de la matière que nous n'avons jamais pu créer en laboratoire auparavant, y compris ceux trouvés dans les étoiles et les supernovae."

"Nous pourrions également avoir un aperçu des états quantiques de la matière et même des conditions de plus en plus proches du début du Big Bang - plus nous devenons chauds, plus nous nous rapprochons du tout premier état de l'Univers."