Des scientifiques américains ont annoncé avoir fait une percée majeure en ce qui concerne la création d’énergie à partir de la fusion nucléaire, un objectif qui a longtemps paru inatteignable.
Le 13 décembre 2022, le département de l’énergie des États-Unis a annoncé que pour la première fois — et après plusieurs décennies d’efforts —, des scientifiques ont réussi à obtenir plus d’énergie du processus de fusion qu’il n’en a nécessité.
Mais quelle est l’importance de cette avancée ? Et dans quelle mesure le vieux rêve de voir la fusion fournir une énergie propre et abondante est-il réalisable ? Carolyn Kuranz, professeure agrégée de génie nucléaire à l’Université du Michigan, qui a travaillé dans le laboratoire où s’est produit cet exploit, explique ce qu’on a obtenu.
Que s’est-il passé dans la chambre de fusion ?
La fusion est une réaction nucléaire qui combine deux atomes pour créer un ou plusieurs nouveaux atomes dont la masse totale est légèrement inférieure à la masse de départ. La différence de masse est libérée sous forme d’énergie, comme le décrit la célèbre équation d’Einstein, E = mc2, où l’énergie est égale à la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. La vitesse de la lumière étant énorme, la conversion d’une infime quantité de masse en énergie — comme dans le cas de la fusion — produit une quantité d’énergie tout aussi énorme.
Des chercheurs de la National Ignition Facility, en Californie, ont réussi pour la première fois ce que l’on appelle « l’allumage par fusion ». On parle d’allumage lorsqu’une réaction de fusion produit plus d’énergie que celle fournie par une source extérieure et devient ainsi autosuffisante.
La technique utilisée à la National Ignition Facility consiste à projeter 192 faisceaux laser sur une capsule d’un millimètre de combustible composée de deutérium et de tritium — deux isotopes d’hydrogène avec des neutrons supplémentaires — placée dans une boîte en or. Lorsque les lasers frappent la boîte, ils produisent des rayons X qui chauffent et compriment la capsule jusqu’à ce qu’elle atteigne une densité 20 fois supérieure à celle du plomb et une température de plus de 3 millions de degrés Celsius, soit environ 100 fois plus chaude que la surface du Soleil. Si l’on parvient à maintenir ces conditions assez longtemps, le combustible fusionnera et libérera de l’énergie.
Le combustible et la boîte se vaporisent en quelques milliardièmes de seconde au cours de l’expérience. Les chercheurs espèrent alors que leur équipement a survécu à la chaleur et a pu mesurer avec prévision l’énergie libérée par la réaction de fusion.
Qu’a-t-on accompli au juste ?
Pour évaluer la réussite d’une expérience de fusion, les physiciens calculent le rapport entre l’énergie libérée par le processus et la quantité d’énergie contenue dans les lasers. Ce rapport est appelé gain.
Un gain supérieur à 1 indique que le processus de fusion a libéré plus d’énergie que les lasers n’en ont fourni.
Le 5 décembre 2022, la National Ignition Facility a projeté une énergie laser de 2 millions de joules sur une capsule de combustible, soit la puissance nécessaire pour faire fonctionner un sèche-cheveux pendant 15 minutes, le tout en quelques milliardièmes de seconde. Cela a engendré une réaction de fusion qui a libéré 3 millions de joules. Il s’agit d’un gain d’environ 1,5, qui fracasse le record précédent de 0,7 obtenu en août 2021.
Est-ce une grande réussite ?
Depuis près d’un demi-siècle, l’énergie de fusion est le « Saint Graal » de la production d’énergie. Si un gain de 1,5 est, selon moi, une percée réellement historique, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant que la fusion ne devienne une source d’énergie exploitable.
Bien que l’énergie laser de 2 millions de joules soit inférieure au rendement de 3 millions de joules, il a fallu près de 300 millions de joules pour produire les lasers utilisés dans l’expérience. Ce résultat montre que l’allumage par fusion est possible, mais il faudra beaucoup d’efforts pour en améliorer l’efficacité jusqu’à ce que la fusion puisse fournir un rendement énergétique positif net en tenant compte du système du début à la fin, et pas seulement de l’interaction entre les lasers et le combustible.
Que faut-il améliorer ?
Depuis des décennies, les scientifiques ont amélioré peu à peu un certain nombre de pièces du puzzle de la fusion pour obtenir ce résultat, et des travaux supplémentaires peuvent rendre le processus encore plus efficace.
Premièrement, les lasers n’ont été inventés qu’en 1960. Lorsque le gouvernement américain a achevé la construction de la National Ignition Facility en 2009, il s’agissait de l’installation laser la plus puissante au monde, capable de transmettre 1 million de joules d’énergie à une cible. Les 2 millions de joules qu’on y produit aujourd’hui représentent une énergie 50 fois supérieure à celle du deuxième laser le plus puissant de la planète. On pourrait améliorer considérablement l’efficacité globale du système en augmentant la puissance des lasers et en trouvant des moyens moins énergivores de les produire.
Les conditions de fusion sont très difficiles à maintenir, et la plus petite imperfection dans la capsule ou le combustible peut augmenter les besoins en énergie et diminuer le rendement. Les scientifiques ont fait beaucoup de progrès pour transférer avec plus d’efficacité l’énergie du laser à la boîte et les rayons X de la boîte à la capsule de combustible, mais jusqu’ici, seulement de 10 à 30 % de l’énergie totale du laser est transférée à la boîte et à la capsule.
Enfin, si un élément du combustible, le deutérium, se retrouve en abondance dans l’eau de mer, le tritium est beaucoup plus rare. La fusion produisant elle-même du tritium, les chercheurs espèrent mettre au point des moyens de récolter celui-ci directement. En attendant, il existe d’autres méthodes pour produire le combustible nécessaire.
Ces obstacles, ainsi que d’autres difficultés, tant technologiques que de conception, devront être surmontés avant que la fusion ne produise de l’électricité pour nos foyers. Il faudra également ramener le coût d’une centrale à fusion bien en deçà des 3,5 milliards de dollars US qu’a coûté la National Ignition Facility. Toutes ces étapes nécessiteront des investissements importants de la part du gouvernement fédéral et de l’industrie privée.
On assiste en ce moment à une course mondiale vers la fusion, et plusieurs autres laboratoires travaillent avec différentes techniques. Cependant, grâce aux nouveaux résultats obtenus par la National Ignition Facility, le monde a, pour la première fois, la preuve que le rêve de la fusion est réalisable.