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Fusion nucléaire par laser : une percée historique

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Dans une lettre publiée le 20 février dans la revue Nature, des scientifiques de la National Ignition Facility au Laboratoire national Lawrence Livermore aux Etats-Unis ont annoncé une avancée importante vers la fusion nucléaire par confinement inertiel (ou fusion laser).

L’équipe de chercheurs, dirigée par O.A. Hurricane, explique avoir obtenu, lors de deux tirs effectués les 27 septembre et 19 novembre 2013, et ce pour la première fois, un gain d’énergie positif par rapport à la quantité d’énergie directement déposée dans la cible de deutérium et de tritium, sans compter toutefois l’énergie absorbée par la couche de matière plastique constituant la coquille de la capsule, ni celle transformée en rayons X dans la chambre cylindrique (hohlraum) dans laquelle baigne cette capsule (voir schéma).

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Essai de fusion laser de la National Igntition Facility (E.-U.)
Une capsule de matière plastique d’un diamètre de 2,6 mm contient sur sa surface intérieure une mince couche de deutérium et de tritium à l’état cryogénisé. Le tout est placé dans un cylindre en or (hohlraum) qui transformera l’énergie des 192 faisceaux laser en rayon X de haute énergie, provoquant l’ablation de la capsule et la compression du deutérieum-tritium, ainsi que la formation d’un point chaud de forme plus ou moins régulière en son centre.

Ces résultats ont été obtenus après avoir changé, pour une nouvelle campagne d’essais initiée par un premier tir le 12 août dernier, deux paramètres importants.

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Répartition temporelle de l’intensité des rayons laser
Nous voyons ici la manière dont ont fait varier l’intensité de l’impulsion laser, d’une durée totale de 20 nanosecondes environ. On voit également la différence d’approche au niveau de l’attaque de l’impulsion entre la campagne précédente et le dernier tir du 11 novembre 2013, avec le piédestal bas et le piédestal haut.

Le premier a trait à la forme de l’impulsion laser (la répartition temporelle de l’intensité au cours des 20 nanosecondes que dure le tir). On a fait commencer l’impulsion par une sorte de piédestal (avant que ne soit accrue brutalement l’intensité jusqu’à son maximum) à un niveau plus élevé que lors des campagnes précédentes. La « hauteur du piédestal » est ainsi plus grande que celle que l’on avait l’habitude d’utiliser auparavant (voir figure). Ceci a permis d’obtenir dès le début une température plus élevée à l’intérieur de la chambre cylindrique entourant la capsule (le hohlraum), et par conséquent une plus grande stabilité (et donc moins de déformation) dans la phase d’ablation et de compression de la capsule de plastique. On évite ainsi que les molécules composant la capsule ne viennent contaminer la mince couche de deutérium-tritium cryogénisé plaquée sur la face intérieure de la capsule, et qui se comprime pour former un point chaud par la suite. Ceci permet d’obtenir un point chaud de forme plus régulière et surtout plus pur, limitant les pertes d’énergie avant que ne débute la fusion.

L’autre changement est associé à la répartition de l’énergie entre les 192 lasers qui sont tirés dans le hohlraum, afin d’optimiser la lumière et le bain de rayons-X qui entourera la capsule. Ces changement dans la répartition de l’énergie se font en faisant varier la fréquence des divers lasers utilisés, en fonction de leur angle d’attaque par rapport à l’axe central du cylindre. La configuration choisie pour le tir effectué le 19 novembre a permis d’obtenir des résultats encore meilleurs, confirmant le choix heureux des ajustements effectués pour le tir du 27 septembre.

La quantité d’énergie obtenue au cours des deux derniers tirs a ainsi nettement progressé, atteignant 17,3 kJ pour celui du 11 novembre, environ dix fois plus que lors des tirs de la campagne précédente. Le rapport entre l’énergie obtenue et l’énergie déposée dans la cible a progressé lui aussi, atteignant pratiquement les deux pour un (1,92 exactement). Ce gain d’énergie de fusion par rapport à la quantité d’énergie déposée dans la cible n’est toutefois qu’un début car, comme nous l’avons dit, il faut atteindre le niveau total d’énergie dépensé par l’ensemble du dispositif laser avant que l’on ne puisse véritablement parler de « breakeven ».

Dépense et gain d’énergie pour tir du 11 novembre 2013
A Energie du combustible 9 kJ
B Energie du combustible + capsule 150 kJ
C Energie du combustible + capsule + hohlraum 1800 kJ
D Energie obtenue (fusion) 17,3 kJ
E Gain (D/A) 1,92

Même si la différence entre ces deux niveaux semble énorme (1800 kJ/17,3 kJ : un facteur d’environ 100), il ne faut pas désespérer. Dès que l’on dépassera confortablement le seuil d’équilibre à l’intérieur du point chaud, le reste du combustible s’allumera à son tour et l’on obtiendra une croissance exponentielle du nombre de réactions de fusion et donc de la quantité totale d’énergie obtenue. Or ce seuil d’équilibre, qui est défini par un rapport de un entre la quantité d’énergie déposée par les particules alpha (noyaux d’hélium engendrées par la fusion), à l’énergie générée par la compression elle-même, a été presque atteint lors du tir du 19 novembre 2013.

D’autres ajustements supplémentaires seront effectués sous peu, avant d’entreprendre une autre série d’essais. Encore un peu de patience...

Voir les 3 commentaires

  • Oui • 26/02/2014 - 22:42

    « En contant au public que de tels systèmes pourraient produire de l’énergie, on se moque tout simplement du monde.
    Si ces montages devaient un jour se transformer en générateur d’électricité, il faudrait commencer par récupérer l’énergie produite par fusion, à la paroi. Celle-ci est véhiculée par un flux de noyaux d’hélium et de neutrons (80% de l’énergie est produite sous cette forme).
    Le tritium n’existant pas à l’état naturel, cette paroi devrait assurer une "fonction tritigène", pour reconstituer au fur et à mesure le stock de tritium consommé. On disposerait tout autour de la chambre des plaques de lithium qui, subissant l’impact des neutrons, donneraient de l’hélium et du lithium.
    Comme le rendement maximal n’est que d’un noyau de tritium produit par neutron capturé, il faudrait interposer une substance qui fasse office de multiplicateur de neutrons, du plomb ou du béryllium. Au bout de tout cela, un échangeur devrait prélever l’énergie produite, sous forme de calories, qui serviraient à créer de la vapeur, laquelle alimenterait des turbines, collectées à des alternateurs.
    Il faudrait en outre assurer le remplacement des hublots à travers lesquels les rayons laser pénétreraient, et qui seraient vite endommagés par les neutrons. Enfin, au bout du compte, le rendement des lasers au verre dopé au néodyme ne dépasse pas 1,5 % !!

    Répondre à ce message

  • Eschylnadsky • 26/02/2014 - 14:35

    Vers la fusion !
    L’augmentation de la population et de sa richesse, défini comme étant le pouvoir de maîtriser les forces de la nature pour accomplir plus de travail avec moins d’effort (ce n’ai pas la définition courante !), engendre en son sein les propres moyens d’augmenter les ressources disponibles à l’humanité pour soutenir sa croissance, à condition, bien sûr, que l’économie de travail gagnée par le progrès technologie soit dirigée vers l’amélioration des moyens de production et la recherche et non dans le casino de la folle finance : Malthus et les décroissants n’incluant bien sûr pas dans leur vision la créativité humaine - l’essence de l’humanité - et l’accumulation résultante des connaissances et de l’appareillage scientifique qui accompagne le développement des sociétés humaines, les uns, comme Malthus ne pouvant tout simplement pas s’imaginer que nous puissions nous affranchir de la terre en agriculture (ie aréoponie et l’agriculture verticale), les autres, que nous puissions avoir une abondante source d’énergie sans pollution et une capacité de recycler à quasi 100% tous les déchets en leurs atomes constituant grâce aux futures torches à plasma nucléaire et que nous pouvons gagner en espace en allant dans l’Espace !
    « De sorte que toute la suite des hommes, pendant le cours de tant de siècles, doit être considérée comme un même homme qui subsiste toujours et qui apprend continuellement »
    Pascal

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  • Eschylnadsky • 26/02/2014 - 14:35

    Voilà une bonne nouvelle !
    Sacré Einstein ! Non seulement nous fit-il découvrir une nouvelle source d’énergie latente de la nature au coeur même des atomes et son incroyable potentiel pour l’humanité*, mais en plus, c’est lui qui théorisa la possibilité de créer des lasers 50 ans avant qu’on n’y parvienne, lesquels lasers semblent être la clé de voûte pour libérer l’énergie jusqu’alors confinée dans les atomes !
    *Doit-on rappeler que toute énergie obtenue par la fission ou ici, encore mieux, pas la fusion nucléaire est en fait de la masse transformée en énergie ? le fameux E=mc2 et comme c étant la vitesse de la lumière, mit au carré, ça fait qu’une simple fraction de matière transformée en énergie nous donne beaucoup d’énergie ! Rien ne rivalise avec cela, surtout pas l’éolien et le solaire qui ne sont que feu de paille et du vent !

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