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Sep 03, 2023

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Edwin Cartlidge Un schéma laser outsider est peut-être le mieux placé pour livrer

Edwin Cartlidge

Un schéma laser underdog peut être le mieux placé pour fournir une énergie de fusion compétitive.

Le laser au fluorure d'argon Electra du US Naval Research Laboratory. [J. Steffen, US Navy]

Le 5 décembre 2022, des physiciens travaillant au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), aux États-Unis, ont enregistré une énorme bouffée de neutrons dans leurs détecteurs expérimentaux. Le NIF est le plus grand laser au monde et il génère des réactions de fusion en implosant rapidement des pastilles d'isotopes d'hydrogène à l'aide d'éclairs de lumière exceptionnellement intenses et énergiques. Le déluge de neutrons a signalé que les chercheurs avaient, après de nombreuses années d'essais, finalement réussi à "l'allumage" - produisant environ 1,5 fois plus d'énergie que celle présente dans l'impulsion laser.

Cette réalisation a suscité un regain d'optimisme quant à la capacité de la fusion à produire le nec plus ultra des solutions énergétiques - une source d'électricité abondante, verte et de base qui ne crée pas de déchets radioactifs à longue durée de vie. Mais bien que les scientifiques aient salué le résultat, certains n'étaient pas convaincus que le NIF fournirait la technologie pour une centrale à fusion en état de marche.

Les lasers du NIF n'éclairent que les pôles d'une cible, leur permettant d'entrer dans les ouvertures à chaque extrémité d'un hohlraum (ci-dessus). [LLNL]

Le NIF s'appuie sur la fusion "à entraînement indirect", qui consiste à écraser des pastilles de combustible avec des rayons X produits en dirigeant les 192 faisceaux laser de l'installation vers une boîte en or, ou "hohlraum", entourant la pastille. Cette approche a ses vertus, notamment que les rayons X contribuent à rendre l'implosion plus douce. Mais de nombreux scientifiques affirment que la grande quantité d'énergie perdue lors de la génération des rayons X - environ les trois quarts du total - fait du schéma un non-démarreur pour exploiter le rendement de fusion dans une centrale électrique commerciale.

Ces experts préconisent plutôt le « entraînement direct » conceptuellement plus simple. Cela implique de former des faisceaux laser au niveau de la capsule de combustible elle-même, en transférant en principe beaucoup plus d'énergie du laser au combustible nucléaire tout en simplifiant la cible. Il n'y a pas besoin de hohlraum, et les capsules pourraient potentiellement être fabriquées en utilisant des techniques et des matériaux moins chers.

La recherche dans ce domaine a été limitée à de petites cibles produisant de faibles rendements de fusion. Mais les scientifiques sont de plus en plus optimistes quant à la possibilité de faire fonctionner l'entraînement direct, en partie à cause de l'intérêt croissant pour l'énergie de fusion parmi les gouvernements et en particulier dans le secteur privé. De plus, comme le note Riccardo Betti de l'Université de Rochester, aux États-Unis, la technologie laser a fait d'énormes progrès ces dernières années, en particulier la capacité de fonctionner à des bandes passantes très élevées. Cette technologie, estime-t-il, "peut changer la donne" pour l'énergie de fusion

Les scientifiques sont de plus en plus optimistes quant à la possibilité de faire fonctionner l'entraînement direct, en partie à cause de l'intérêt croissant pour l'énergie de fusion parmi les gouvernements et en particulier dans le secteur privé.

Exploiter l'énergie de fusion implique de confiner un plasma de noyaux légers - généralement du deutérium et du tritium - à des températures si élevées que les noyaux surmontent leur répulsion mutuelle et fusionnent, dégageant de l'énergie. Si le plasma peut être maintenu à des densités suffisamment élevées pendant suffisamment longtemps, les produits de réaction énergétiques (particules alpha) déposent suffisamment de chaleur pour produire une combustion auto-entretenue, générant une inflammation et multipliant la sortie plusieurs fois.

Les physiciens ont suivi deux stratégies différentes pour y parvenir. On tente de maximiser le temps de confinement, en maintenant un plasma assez raréfié à l'intérieur d'une grande chambre à l'aide d'aimants puissants. L'autre crée plutôt des densités exceptionnellement élevées pour un moment fugace.

C'est dans la poursuite de cette seconde approche, dite de fusion par confinement inertiel, que sont employés les lasers de forte puissance et de forte énergie. L'idée est de tirer des impulsions laser de toutes les directions sur une minuscule pastille de combustible de telle sorte que la couche externe de la pastille soit soufflée, et la conservation de l'élan force ensuite le reste vers l'intérieur à des vitesses énormes (la lumière à elle seule ne fournissant pas assez de pression de rayonnement).

[Agrandir le graphique] [Illustration par Phil Saunders]

Comme l'indique le nom de la technique, l'inertie de la capsule offre la possibilité de fusion - la minuscule fraction de seconde entre l'implosion et la réexplosion lorsque la température et la pression dans le plasma créé par la pastille sont suffisamment élevées pour déclencher des réactions de fusion. Les réactions ont d'abord lieu dans une petite région centrale du plasma comprimé appelée point chaud puis, avec un chauffage suffisant par les particules alpha, se propagent au reste du combustible relativement froid.

Les scientifiques du LLNL ont commencé des recherches sur la fusion inertielle au début des années 1970. Ils avaient initialement prévu de poursuivre l'entraînement direct, mais se sont vite rendu compte qu'ils ne pouvaient pas obtenir l'éclairage uniforme nécessaire pour des implosions symétriques à haut rendement. Ils sont donc passés à l'entraînement indirect et l'ont utilisé depuis comme contribution expérimentale aux simulations informatiques utilisées pour entretenir les armes nucléaires américaines. N'ayant pas réussi à obtenir l'allumage comme prévu à l'origine en 2012, ils ont finalement réussi l'année dernière, produisant 3,15 MJ à partir de 2,05 MJ d'énergie laser.

Certains chercheurs d'autres laboratoires ont plutôt persisté avec l'entraînement direct. Ce faisant, ils ont été confrontés à un certain nombre d'instabilités dommageables créées lorsque les faisceaux laser entrants interagissent avec le plasma. L'un d'entre eux, le transfert d'énergie entre faisceaux, est dû aux faisceaux interagissant dans le plasma et entraînant une onde sonore, qui peut transférer l'énergie d'un faisceau entrant à un faisceau sortant. Cela réduit la pression de l'implosion.

Un autre problème survient lorsque les électrons du plasma sont accélérés par des oscillations de la densité électronique, à nouveau créées par la propagation des faisceaux laser. Ces électrons peuvent pénétrer au cœur de la capsule et chauffer prématurément le carburant. La chaleur supplémentaire empêche la compression, ce qui rend plus difficile d'atteindre les conditions extrêmes nécessaires à l'allumage.

Selon Betti, les instabilités du plasma peuvent être éliminées si la lumière laser a une bande passante suffisamment élevée, ce qui implique une cohérence très limitée. Une bande passante de 10 térahertz (THz = 1012 Hz) équivaut à un temps de cohérence de seulement 10 à 13 s, plus court que la période des oscillations de plasma les plus rapides.

L'un des principaux centres de recherche sur l'entraînement direct est le Laboratoire d'énergie laser (LLE) de l'Université de Rochester. Il abrite le laser OMEGA, qui utilise 60 faisceaux d'amplificateurs en verre dopé au néodyme pour fournir 30 kJ d'énergie et 30 TW de puissance sur des pastilles de combustible mesurant moins d'un millimètre de diamètre. Ces expériences ont créé un plasma produisant une énergie de fusion jusqu'à environ 3 % de l'énergie du laser, bien que cette dernière soit trop faible pour pouvoir confiner efficacement les particules alpha et ainsi auto-échauffer significativement le plasma.

Une partie du laser de quatrième génération pour les expériences à ultra-large bande (FLUX) de l'Université de Rochester, qui augmentera la bande passante du laser OMEGA du Laboratoire d'énergie laser pour atténuer les instabilités laser-plasma lors des expériences de fusion inertielle. [Laboratoire d'énergétique laser / Université de Rochester]

Les performances d'OMEGA sont en partie entravées par la bande passante du laser. Il utilise des cristaux non linéaires épais pour convertir le rayonnement proche infrarouge du laser en fréquences ultraviolettes plus utiles, mais les cristaux limitent la bande passante à moins de 1 THz. En réponse, les chercheurs ont travaillé sur un projet appelé le laser de quatrième génération pour les expériences à ultra-large bande (FLUX). Cela vise à augmenter la bande passante entre 10 et 15 THz en utilisant une nouvelle combinaison d'amplification paramétrique optique et de génération de fréquence somme pour convertir à la hausse des impulsions infrarouges à très large bande en impulsions ultraviolettes à haute énergie et à large bande similaire.

Après avoir démontré la technologie dans une expérience sur table, les chercheurs installent maintenant un nouveau laser de pompe et des lignes de lumière à OMEGA pour générer des impulsions à large bande avec 150 J. Jonathan Zuegel, responsable du développement laser au LLE, déclare que les expériences avec FLUX devraient commencer en 2024 et que sa capacité à supprimer les instabilités laser-plasma devrait être démontrée d'ici la fin de 2025. À ce stade, dit-il, l'assurance de la capacité d'enflammer une cible devrait "faire passer un pic de très confiant à prouvé".

Le dernier réseau de miroirs à l'intérieur de l'installation laser Nike du US Naval Research Laboratory. [Laboratoire de recherche navale des États-Unis]

Au Naval Research Laboratory (NRL), aux États-Unis, d'autres chercheurs ont travaillé avec un type de laser très différent, un laser fabriqué à partir de fluorure d'argon gazeux. Selon Stephen Bodner, ancien responsable du programme de fusion laser du laboratoire, le fluorure d'argon présente un certain nombre d'avantages majeurs par rapport au verre. Il a une bande passante naturellement large d'environ 10 THz. Il a également une courte longueur d'onde - 193 nm par rapport aux 351 nm du verre - ce qui lui permet de pénétrer à des densités de plasma plus élevées et de déposer ainsi plus d'énergie dans les réactions de fusion.

Malgré son attrait pour la fusion inertielle et quelques premières expériences au début des années 1980, le fluorure d'argon a été abandonné pendant de nombreuses années en raison de la fragilité des alimentations pulsées et des optiques endommagées. Mais Bodner et ses collègues ont persisté avec les lasers à gaz, en utilisant le fluorure de krypton à longueur d'onde légèrement plus longue et moins gênant. À partir de 1995, ils ont utilisé l'installation Nike de NRL pour concentrer des impulsions de 3 kJ sur des cibles planes, montrant qu'ils pouvaient "zoomer" sur le point d'éclairage pendant l'implosion pour tirer le meilleur parti de l'énergie laser.

Encouragés par l'utilisation généralisée du fluorure d'argon par l'industrie des semi-conducteurs pour la lithographie, les scientifiques du LNR ont converti l'installation Electra du laboratoire du fluorure de krypton au fluorure d'argon pour démontrer un pompage efficace et à taux de répétition élevé avec des électrons. Electra ne tire pas de faisceaux sur une cible, car son travail consiste à améliorer les performances du laser. Sa puissance est encore très modeste, mais il a néanmoins atteint un record mondial de laser au fluorure d'argon en 2020, atteignant environ 200 J.

Les systèmes laser actuels étant loin de l'allumage, il reste beaucoup de travail à faire sur l'entraînement direct et de nombreuses opinions existent quant à la meilleure voie à suivre.

Les systèmes laser actuels étant loin de l'allumage, il reste beaucoup de travail à faire sur l'entraînement direct et de nombreuses opinions existent quant à la meilleure voie à suivre. Vladimir Tikhonchuk, physicien du plasma et de la fusion à l'Université de Bordeaux, en France, estime qu'à terme, les lasers à gaz pourraient fournir un fonctionnement 24 heures sur 24 plus robuste que les amplificateurs en verre, étant donné la sensibilité de ces derniers aux dommages causés par le laser. Mais il soutient que les lasers à verre sont actuellement "bien, bien en avance". Un problème avec le gaz, dit Tikhonchuk, est la nécessité d'une longue impulsion de pompe pour extraire l'énergie du volume laser beaucoup plus grand. Pour surmonter le décalage temporel qui en résulte entre les impulsions de pompe et de signal, il faut faire passer ces dernières à travers l'amplificateur laser l'une après l'autre. Pour s'assurer que ces impulsions arrivent toutes simultanément sur la cible, un système de miroirs retarde les précédentes. "Cette technique de multiplexage rend les choses plus compliquées", dit-il.

Bodner minimise le problème, insistant sur le fait que l'espace supplémentaire et la complexité ne sont "pas un gros problème". Il soutient que les lasers à verre sont confrontés au vrai problème : une dépendance non linéaire de leur indice de réfraction à l'intensité lumineuse. Cela, affirme-t-il, empêche la réduction du temps de cohérence des ondes nécessaire pour lisser les variations d'intensité d'un faisceau. Zuegel, en revanche, soutient que le temps de cohérence évolue simplement inversement avec la bande passante laser.

Les scientifiques ne parviennent pas non plus à s'entendre sur le potentiel des différents schémas d'implosion. Comme le NIF, les lasers à entraînement direct peuvent utiliser une seule impulsion laser pour comprimer et chauffer une capsule, le point chaud étant créé par une onde de choc installée à l'intérieur du carburant en train d'imploser. Mais ils peuvent également utiliser des impulsions jumelles, en utilisant la première pour compresser l'impulsion avec relativement peu de puissance, et la seconde impulsion plus courte pour chauffer le carburant via une onde de choc supplémentaire.

Connu sous le nom d '«allumage par choc», ce dernier schéma promet d'augmenter le gain pour une énergie laser donnée - les chercheurs du NRL pensent qu'il pourrait pousser le gain d'un laser au fluorure d'argon à 160. Mais Bodner soutient que le groupe Rochester ne pourra pas réaliser cet avantage car, bien que Betti ait inventé la technique, les lasers à verre ne peuvent pas produire de courtes impulsions avec une puissance suffisante. Betti n'est pas d'accord, arguant qu'OMEGA peut contourner ses limites de puissance en utilisant des cibles plus petites, et insiste sur le fait que la démonstration d'implosions symétriques est ce qui compte vraiment, pas la courte seconde impulsion.

Un autre concept qui utilise des impulsions laser séparées pour chauffer et comprimer le carburant est «l'allumage rapide». Plutôt que de mettre en place des ondes de choc à l'intérieur de la capsule, l'idée ici est de chauffer le carburant directement depuis l'extérieur. En principe, cela assouplit les exigences de symétrie et économise l'énergie laser, mais crée lui-même des maux de tête majeurs (voir "Concentré sur les ions" ci-dessous).

[Agrandir le graphique] [Adapté de Focused Energy]

Malgré leurs divergences d'opinions, toutes les personnes impliquées dans la recherche sur l'entraînement direct conviennent que davantage de données sont nécessaires, en particulier celles issues d'expériences plutôt que de simulations informatiques.

Des données à plus haute énergie pourraient être collectées au NIF, qui est utilisé pour la recherche à entraînement direct depuis des années. Mais comme le souligne Omar Hurricane, scientifique en chef du LLNL pour la fusion par confinement inertiel, l'installation n'est pas idéale. Étant donné que les lasers sont configurés pour la recherche à entraînement indirect, ils n'éclairent que les pôles d'une cible. Hurricane dit qu'un groupe d'étude a envisagé de mettre en place un éclairage sphérique, mais a constaté que cela coûterait très cher et mettrait le NIF hors service pendant plusieurs années. Il ajoute qu'il ne semble pas y avoir "d'élan dans cette direction".

Ce qu'il faut à la place, selon Tikhonchuk, c'est un tout nouveau laser spécialement conçu à cet effet. Ceci, dit-il, pourrait avoir une énergie d'environ 1 MJ et un gain d'énergie de 10, et pourrait tirer plusieurs coups par heure - le NIF fait une expérience à haut rendement par semaine au maximum. Il pourrait ne représenter que la moitié ou le tiers de la taille du NIF, estime-t-il, mais coûterait tout de même 1 à 2 milliards de dollars américains. "Si vous voulez passer à l'étape suivante, nous avons besoin d'une autre installation", dit-il. "Les gens comprennent cela, mais c'est un investissement."

Zuegel est convaincu que LLE peut construire une installation de nouvelle génération pour moins d'un milliard de dollars américains, mais il n'est pas certain qu'elle atteindra l'allumage. Il dit que l'OMEGA Next provisoirement nommé atteindra probablement des bandes passantes élevées en multiplexant temporellement les faisceaux de type FLUX dans de nombreuses longueurs d'onde différentes. Il note que des discussions sur l'énergie que le nouveau laser aura sont en cours, mais il prévoit que la construction commencera vers 2030 et les opérations vers le milieu de la décennie.

Pendant ce temps, les physiciens européens cherchent à relancer un projet à l'échelle de l'allumage connu sous le nom de European High Power Laser Energy Research Facility (HiPER). La proposition a été abandonnée suite à l'échec initial du NIF à obtenir l'allumage en 2012 comme prévu et à des désaccords sur le schéma d'implosion à utiliser. Mais les partisans sont maintenant d'accord sur l'allumage par choc, et Tikhonchuk dit que l'installation rénovée, coûtant peut-être quelques milliards d'euros, pourrait être opérationnelle d'ici 10 à 15 ans.

Les chercheurs travaillant sur le fluorure d'argon entendent également commercialiser l'énergie de fusion. L'ancien chef du programme de fusion NRL, Stephen Obenschain, a créé en 2022 la société LaserFusionX pour réaliser un plan en plusieurs phases. L'entreprise vise à développer une seule ligne de lumière de 30 kJ, puis à construire et à exploiter plusieurs lignes de lumière pour démontrer l'allumage et un gain d'énergie d'au moins 100, avant de finalement construire une centrale électrique pilote, le tout pour la modique somme de 5 à 6 milliards de dollars, hors inflation.

Le flux de puissance dans une hypothétique centrale électrique pilote à énergie de fusion exploitant un laser au fluorure d'argon de 650 kJ fonctionnant à 10 impulsions par seconde et générant un gain d'énergie de 160 via une cible amorcée par choc. [J. Bates et S. Obenschain]

Parmi les différentes propositions, il reste à voir combien peuvent attirer les financements nécessaires. Tous prévoient un mélange de financement public et privé. Obenschain, par exemple, vise à s'appuyer sur des fonds privés pour la technologie de fusion de base de LaserFusionX, bien qu'il espère que le département américain de l'énergie paiera pour surmonter certains des vastes obstacles à une centrale électrique.

Pour générer les centaines de mégawatts d'électricité nécessaires pour être compétitive, une centrale à énergie de fusion devrait tirer des tirs laser peut-être dix fois par seconde.

Pour générer les centaines de mégawatts d'électricité nécessaires pour être compétitive, une telle centrale devrait tirer des coups de laser peut-être dix fois par seconde. Cela nécessiterait non seulement des lasers qui fonctionnent efficacement à des taux de répétition élevés, mais également des cibles bon marché et produites en série, un système de positionnement rapide et précis de ces cibles, un processus de production de tritium et des matériaux résistants aux radiations pour garnir la chambre cible.

En ce qui concerne les lasers eux-mêmes, les défenseurs du verre et du gaz pensent qu'ils peuvent atteindre les rendements nécessaires : 15 à 20 % pour le premier et environ 10 % pour le second, combinés à un gain plus élevé. Mais les deux font face à des défis de pompage. Les lasers au fluorure d'argon dépendent de générateurs de puissance pulsés complexes, tandis que les lasers à verre ou à semi-conducteurs nécessitent des diodes, qui sont beaucoup plus efficaces que les lampes flash traditionnelles mais qui sont actuellement beaucoup trop chères.

Compte tenu de l'ampleur "phénoménale" du défi, Peter Norreys, de l'Université d'Oxford, au Royaume-Uni, estime qu'il est sage de garder toutes les options ouvertes. Une possibilité, dit-il, est de construire un laser beaucoup plus gros - jusqu'à 20 MJ - pour rechercher plusieurs concepts couvrant à la fois l'entraînement direct et indirect. Il admet que cela coûterait extrêmement cher, peut-être environ 40 milliards de dollars américains, et ajoute que cela pourrait nécessiter une organisation intergouvernementale comme celle qui dirige le CERN en Suisse.

Hurricane partage la prudence de Norreys, affirmant qu'il est encore trop tôt pour "choisir un gagnant pour les applications d'énergie de fusion" - qu'il s'agisse d'un entraînement direct ou indirect. En effet, il estime qu'il faudra probablement encore "de nombreuses décennies" avant que l'énergie de fusion ne devienne économiquement viable, si jamais elle le fait.

Mais beaucoup sont prêts à emprunter ce que Norreys décrit comme la voie "à haut risque et à haute récompense" vers l'énergie de fusion. En effet, la société californienne Longview Fusion Energy Systems affirme qu'avec la technologie d'entraînement indirect basée sur la conception cible du NIF, elle fournira 50 MW au réseau électrique d'ici 2035.

Ceux qui cherchent à commercialiser la technologie à entraînement direct sont légèrement moins audacieux, mais ont toujours des horizons temporels très ambitieux. Markus Roth, professeur à la TU Darmstadt et directeur scientifique de la société d'allumage rapide Focused Energy, prévoit une usine pilote d'ici la fin des années 2030. Obenschain, quant à lui, envisage "un démarrage arrêté d'une usine pilote dans 16 ans" - un optimisme dont il ne s'excuse pas. "Je pense qu'il faut être optimiste pour être dans ce domaine", dit-il.

Edwin Cartlidge est un rédacteur scientifique indépendant basé à Rome, en Italie.

Pour des références et des ressources, visitez : optica-opn.org/link/0623-directdrive.

Date de publication : 01 juin 2023