Depuis 75 ans, on rêve de reproduire une fusion de type solaire sur Terre. Des équipes de scientifiques et d'ingénieurs du monde entier ont dépensé des dizaines de milliards de dollars pour diverses méthodes de fusion, mais ont longtemps eu du mal à atteindre le cap du « gain énergétique net ».
Mais jusqu’à il y a un an, tout avait changé.
Le 5 décembre 2022, au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), le laser le plus grand et le plus énergétique au monde a tiré 192 faisceaux laser et les a pointés sur une cible de la taille d'un grain de poivre, créant ainsi un minuscule « soleil ». " sur Terre. Après avoir tiré 2,05 mégajoules d'énergie laser sur la cible, l'expérience a produit plus d'énergie de fusion qu'il n'en faut pour enflammer le combustible de fusion en générant 3,15 mégajoules d'énergie - une avancée scientifique majeure depuis des décennies.
Briser à nouveau la limite d'énergie du laser
Heureusement, le National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aux États-Unis a récemment établi un nouveau record d'énergie laser en émettant pour la première fois 2,2 mégajoules (MJ) sur une cible d'allumage.
L'expérience récemment rapportée, menée le 30 octobre, a produit 3,4 MJ d'énergie de fusion, a réalisé l'allumage et a produit le deuxième rendement neutronique le plus élevé jamais réalisé au NIF.
Gordon Brunton, directeur du National Ignition Facility (NIF), a déclaré : « Ce niveau record d'énergie laser est une réalisation incroyable qui a nécessité des années de travail acharné. Et il s'agit de notre quatrième démonstration réussie d'allumage par fusion au NIF. est fondamental pour la mission du Laboratoire, avec de nouvelles capacités qui peuvent soutenir le programme de gestion des stocks de la National Nuclear Security Administration et, espérons-le, nous rapprocher de l'avenir de l'énergie de fusion.
Le 5 décembre 2022, LLNL a réalisé pour la première fois un allumage par fusion. La deuxième fois, c'était le 30 juillet 2023, lorsque le laser NIF a délivré 2,05 mégajoules d'énergie à la cible dans le cadre d'une expérience de fusion contrôlée, produisant une énergie de fusion de 3,88 mégajoules, soit le gain d'énergie le plus élevé atteint à ce jour. Le laser NIF a réalisé l'allumage par fusion le 8 octobre 2023, avec une énergie laser de 1,9 MJ et une production d'énergie de fusion de 2,4 MJ.
Principales avancées dans la fusion nucléaire
"Nous sommes sur une courbe de croissance abrupte des performances", a déclaré Jean-Michel Di Nicola, directeur de projet conjoint du NIF et de Photon Science Laser Science and Systems Engineering Organization. "L'augmentation de l'énergie laser nous donne plus de latitude pour résoudre des problèmes tels que le carburant. défauts de capsule ou asymétries de points chauds de carburant. Des énergies laser plus élevées aident à obtenir des implosions plus stables, qui à leur tour conduisent à des rendements énergétiques plus élevés.
Il n’y a aucun doute sur la capacité du laser à délivrer autant d’énergie. Et le défi consiste à protéger les précieuses optiques du NIF contre les dommages causés par les débris, explique Bruno Van Wonterghem, responsable des opérations chez NIF : « Le laser lui-même est capable de générer des énergies plus élevées sans apporter de modifications fondamentales au laser. Nous faisons tout cela pour maximiser le contrôle des dommages. Après tout, s’il y a trop d’énergie sans protection adéquate, vos optiques peuvent être réduites en miettes. »
NIF gère le seul système laser au monde qui fonctionne au-dessus du seuil de dommage, un exploit rendu possible en partie par ce que l'on appelle la boucle de recyclage optique.
Des lasers plus puissants, de meilleures performances
Deux mesures d'atténuation majeures, achevées en juin 2023, ont été essentielles pour fournir 2,2 MJ d'énergie laser à la cible : l'utilisation d'un blindage contre les débris de silice fondue sur les deux tiers des lignes de lumière du NIF et l'installation d'un blindage métallique sur 32 lignes de lumière de l'hémisphère inférieur. , qui, en fonction de la ligne de lumière, a réduit le taux de dommages induits par les débris d'un facteur réduit d'un facteur 10-100. Ces optiques de la ligne de lumière inférieure reçoivent le plus de débris de la chambre cible en raison de la gravité.
D'autres améliorations incluent de nouveaux revêtements antireflet, un traitement à l'hexaméthyldiazépane en vapeur (HMDS) et une capacité accrue de la boucle de récupération optique. Un nouvel agent atténuant - un bloqueur de bords gris - résout un problème que les scientifiques n'avaient pas encore identifié.
"Il existe un sous-ensemble de faisceaux qui ne fonctionnent pas aussi bien que d'autres", explique Di Nicola, "et nous avons constaté que si nous réduisons radicalement la densité d'énergie du laser en projetant une ombre sur un bord de la ligne de lumière, ces lignes de lumière fonctionnent mieux. Nous ne savons toujours pas exactement quelle est la cause profonde du problème, mais nous enquêterons activement sur cette question à l'avenir. »
La résolution du mystère est venue naturellement aux scientifiques et aux ingénieurs travaillant sur le système laser le plus énergétique au monde, le NIF, et le représentant en chef de l'OMST, Tayyab Suratwala, a déclaré : « Nous avons examiné les dommages causés par le laser et identifié que les mesures d'atténuation ont été modélisées et testées. à mesure que nous augmentons l’énergie du laser, nous entrons dans un territoire sans précédent et révélons de nouveaux mécanismes de dommages. »
Plus d'énergie à elle seule ne suffit pas à soutenir l'incroyable record de percées scientifiques de l'Institut national des sciences. Di Nicola : « Vous devez balancer ce plus gros marteau avec contrôle et habileté. L'impulsion laser ne dure qu'un milliardième de seconde, vous devez donc soyez très précis pour bien faire les choses."
À cette fin, l’équipe a récemment achevé le déploiement du système High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS), qui permet une mise en forme des impulsions plus précise et précise. HiFiPS est un projet en cours d’élaboration qui permet un meilleur équilibre de puissance et un contrôle symétrique des implosions.
Dans le cadre d'une autre amélioration, l'équipe a remis à neuf les fibres optiques de l'appareil pour les rendre plus résistantes aux expositions répétées aux neutrons. Ces fibres sont utilisées pour mesurer avec précision les impulsions laser transmises à la cible. La remise à neuf a augmenté la force du signal d'un facteur 10-100, permettant aux chercheurs de continuer à "voir" les performances du laser.
Quels sont les espoirs pour l’avenir ?
Actuellement, le laser a fourni 2,2 mégajoules d’énergie laser. L’équipe est revenue au stade de la recherche et a réalisé le même processus après la première expérience ayant produit un allumage par fusion.
Nous examinons l'optique, évaluons les dégâts et comprenons à quelle fréquence nous pouvons utiliser cette nouvelle capacité", a déclaré Suratwala. En attendant, nous célébrons cette réalisation majeure. C'est le résultat d'années de travail acharné par un grand équipe au sein de LLNL et de nombreux partenaires externes.
