La première partie de cette série explorait le concept de la fusion nucléaire. La deuxième partie se concentre sur les progrès réalisés dans la recherche sur la fusion nucléaire et les efforts en cours nécessaires pour atteindre la viabilité commerciale.
Bien que cela puisse paraître simple, des décennies de recherche ont été nécessaires pour atteindre le point où, l’année dernière, la réaction de fusion a finalement atteint l’équilibre, c’est-à-dire que l’énergie produite par la réaction est égale ou supérieure à la quantité d’énergie utilisée pour créer la réaction de fusion. La nouvelle de cet équilibre s’est rapidement répandue et a relancé un intérêt renouvelé pour la fusion en tant que source d’énergie potentiellement révolutionnaire pour l’avenir.
Concept de fusion nucléaire. Image utilisée avec l’aimable autorisation de LLNL
Cependant, beaucoup de recherches restent à faire pour faire de la fusion nucléaire une source d’énergie viable. La deuxième partie passe en revue les réalisations récentes et évalue l’avenir de la technologie.
Équilibre de la fusion avec 192 lasers
Le 5 décembre 2022, les scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie ont atteint l’équilibre avec une réaction de fusion alimentée par des lasers. Le processus utilisait 192 faisceaux laser ultraviolets délivrant 2,05 millions de joules (MJ) d’énergie à une pastille de combustible de deutérium-tritium. La réaction de fusion nucléaire qui en résultait a produit une sortie de 3,15 MJ (environ l’énergie contenue dans trois bâtons de dynamite), réalisant ainsi l’équilibre pour la première fois dans l’histoire.
Le processus du NIF pour créer la fusion nucléaire était extraordinairement complexe, reflétant à quel point il serait difficile de créer des réacteurs de fusion pratiques pour produire de l’électricité.
Les 192 lasers haute puissance sont dirigés vers un cylindre-cible en or de diamètre d’un millimètre appelé hohlraum. À l’intérieur du cylindre se trouve une capsule en carbone haute densité (diamant) pesant seulement 4,25 milligrammes. La capsule contient 220 microgrammes (µg) de tritium et de deutérium, le combustible pour la réaction de fusion.
Cible laser. Image utilisée avec l’aimable autorisation de LLNL
Lorsqu’il est frappé par les lasers ultraviolets, le cylindre en or bombarde la surface de la capsule en carbone avec des rayons X, vaporisant la coquille et implosant vers l’intérieur avec une pression (600 milliards d’atmosphères) et une température (151 millions °C) suffisantes pour permettre la fusion du tritium et du deutérium. Cela crée de l’hélium et libère le combustible pour dépasser significativement ceux trouvés dans le Soleil (200 milliards d’atmosphères et 16 millions °C).
Ces conditions étaient suffisantes pour que les atomes de deutérium et de tritium fusionnent en hélium et libèrent de l’énergie, ainsi qu’un neutron à haute énergie et une particule alpha. Le neutron s’échappe de la réaction de fusion, mais la particule alpha chauffe le combustible, augmentant encore plus la sortie d’énergie de fusion.
Vidéo utilisée avec l’aimable autorisation de LLNL
Obtenir un chauffage uniforme du cylindre par les 192 lasers exige que chaque laser soit parfaitement dirigé. Toute non-uniformité dans le hohlraum, telle que des parois d’épaisseurs inégales, peut entraîner des implosions asymétriques, réduisant les chances que la réaction de fusion se produise.
Bien que le succès du NIF ait prouvé le concept de la fusion nucléaire sur Terre, la méthode pour atteindre la fusion est incroyablement impraticable pour un processus industriel produisant de l’électricité pour le réseau. Une centrale électrique d’un gigawatt consommerait jusqu’à 1 million de cylindres en or et de capsules de carburant en diamant par jour, avec jusqu’à 10 tirs laser se produisant chaque seconde.
Quelques jours après l’annonce de l’équilibre énergétique de la fusion du NIF, la société Longview Fusion Energy Systems, basée en Californie, a annoncé son intention de construire la première centrale énergétique de fusion laser au monde. Longview prévoit de combiner la technique de fusion laser du NIF répétée des centaines de fois par minute pour fournir une énergie durable sans carbone à partir d’une centrale commercialement viable. En mars 2024, Longview a annoncé avoir signé un contrat avec le géant de l’ingénierie et de la construction Fluor Corporation pour concevoir et construire une telle centrale, capable de produire 1600 mégawatts (MW) d’électricité au cours de la prochaine décennie.
Fusion avec un Stellarator
Imploser des sphères-cibles avec des lasers haute puissance n’est pas le seul concept pour créer la fusion nucléaire sur Terre. L’énergie de fusion laser crée des impulsions d’énergie de fusion. Cependant, si la technologie pouvait être développée, la création d’énergie en régime permanent présenterait des avantages significatifs pour l’exploitation d’une centrale de base. Un concept pour créer une énergie de fusion en régime permanent est le stellarator.
Les champs générés par des aimants externes contrôlent le stellarator, le rendant relativement stable et simple à exploiter. Un stellarator (développé initialement en 1951) pourrait permettre une opération continue de réaction de fusion en régime permanent.
TDK Ventures, basé au Wisconsin, aide à financer Type One Energy, composé de scientifiques de l’Université du Wisconsin, du Oak Ridge National Lab et de l’institut Max Planck pour la physique des plasmas. Le groupe développe un concept de confinement magnétique utilisant l’impression 3D et l’application d’aimants supraconducteurs à haute température.
Stellarator. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Type One Energy
Le stellarator de Type One Energy utilise des magnétiques 3D profilés pour confiner les gaz plasmas le long d’un chemin circulaire en torsion. La performance du stellarator est contrôlée par les champs générés par des aimants externes, le rendant relativement stable et simple à exploiter. Un stellarator fonctionne en continu, le rendant attrayant pour les applications futures du réseau électrique. Bien sûr, le stellarator n’a pas encore atteint l’équilibre énergétique.
Recherche mondiale sur la fusion
La recherche sur l’énergie de fusion s’est mondialisée. Par exemple, ITER, une collaboration internationale, construit le plus grand réacteur de fusion tokamak au monde en France. Un tokamak retient un plasma à haute température dans un dispositif en forme de tore pour contrôler la réaction de fusion nucléaire. Il est considéré comme l’un des leaders pour un réacteur de fusion en régime permanent pratique. Avec un peu de chance, ITER commencera ses opérations en 2025.
Les scientifiques de l’Institut Coréen de la Fusion Énergie ont récemment annoncé que leur dispositif Korea Superconducting Tokamak Advanced Research a été capable de générer des températures de plasma de 100 millions °C (sept fois plus chaud que le cœur du Soleil) pendant un temps record de 48 secondes, battant le précédent record de 30 secondes de KSTAR. L’objectif de l’installation est de maintenir des températures de plus de 100 millions °C pendant jusqu’à 300 secondes d’ici 2026.
Concept du réacteur de fusion d’Openstar. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Openstar Technologies
En Nouvelle-Zélande, Openstar Technologies Ltd. examine le contrôle du plasma à l’aide d’aimants dipôles, une méthode qui peut améliorer la stabilité du plasma lorsqu’il atteint les températures de fusion nucléaire. La Nouvelle-Zélande était le foyer de Sir Ernest Rutherford, qui a d’abord fendu l’atome. Il a nommé le deutérium et le tritium les carburants utilisés dans le processus de fusion nucléaire.
Utiliser l’IA dans la fusion nucléaire
L’Agence Internationale de l’Énergie Atomique planifie d’utiliser l’intelligence artificielle (IA) pour accélérer la recherche et le développement sur la fusion. En entraînant l’IA sur des données expérimentales passées, les scientifiques peuvent prédire à l’avance les instabilités potentielles dans le plasma de fusion nucléaire, permettant à un contrôleur IA de modifier les paramètres de fonctionnement beaucoup plus rapidement qu’un humain ne pourrait intervenir.
Une équipe d’ingénieurs, physiciens et scientifiques des données du laboratoire de physique des plasmas de Princeton du Département de l’Énergie des États-Unis travaille sur des moyens d’utiliser l’IA pour contrôler les problèmes de plasma en temps réel. Leur travail initial offrira plus d’opportunités pour un contrôle dynamique de la réaction de fusion en contrôlant les instabilités plasmatiques qui ont été des obstacles aux réactions de fusion soutenues.
Le temps presse pour la fusion nucléaire
Si la fusion nucléaire peut fournir une énergie propre et sans carbone au réseau électrique, nous en avons besoin plus tôt que tard. Même si l’énergie éolienne et solaire continue de croître, la production d’électricité utilisant des combustibles fossiles comme le gaz naturel domine encore, et il semble probable que cela durera longtemps dans le futur, ajoutant continuellement aux problèmes du changement climatique. Les défis de la fusion nucléaire sont énormes, et nous ne pourrons peut-être jamais les résoudre. Mais la promesse d’éliminer les émissions de carbone est si grande que l’énergie de la fusion nucléaire est un défi que l’humanité ne pourra ignorer.