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sources d’images, Laboratoire national LLNL
L’installation du NIF en Californie exploite le laser le plus puissant au monde.
Le lundi 5 décembre 2022, à 1h03 du matin, une expérience a eu lieu en Californie qui pourrait être d’une importance vitale pour l’avenir de l’énergie.
Les scientifiques du National Ignition Facility (NIF) ont dirigé leur laser à 192 faisceaux vers un cylindre avec une petite capsule de diamant remplie de combustible nucléaire.
La puissante rafale de lumière laser a généré des températures et des pressions immenses en déclenchant une réaction de fusion, comme celle qui alimente le Soleil.
Le NIF, qui appartient au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avait mené des expériences similaires, mais cette fois l’énergie de la réaction était supérieure à celle du laser utilisé pour la produire.
Les scientifiques essayaient depuis des décennies d’atteindre ce seuil.
une sphère parfaite
L’objectif de la communauté scientifique est de construire dans le futur des centrales électriques qui génèrent, par des réactions de fusion, un flux abondant de électricité sans carbone.
Mais c’est encore loin, et en attendant, il reste un long chemin à parcourir pour développer la technologie nécessaire.
L’un des composants clés du NIF est une capsule de diamant synthétique la taille d’un grain de poivre.
sources d’images, Laboratoire national LLNL
Le développement de la capsule à combustible a nécessité des décennies de travail.
Les propriétés de cette capsule sphérique, qui contient le combustible, sont cruciales pour mener à bien une expérience de fusion réussie.
La sphère il doit être parfaitement lisse et exempt de contaminantscar toute anomalie pourrait ruiner la réaction.
Cependant, ces sphères de précision ne sont pas fabriquées en Californie ; sont le résultat d’années de travail de la société Diamond Materials, basée à Fribourg en Allemagne.
La demande pour ce type de capsule sphérique est très élevée, déclare Christoph Wild, directeur général de Diamond Materials avec Eckhard Wörner.
“Nous collaborons étroitement avec le laboratoire LLNL et essayons de minimiser les défauts tels que les impuretés, les cavités ou les parois inégales“.
Le processus
L’équipe de 25 personnes de Diamond Materials fabrique des diamants synthétiques à l’aide d’un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur.
sources d’images, Laboratoire national LLNL
La surface de la capsule de carburant doit être parfaitement lisse.
Il faut environ deux mois pour créer chaque lot de 20 à 40 capsules.
Pour les fabriquer, de minuscules cristaux de diamant sont placés autour d’un noyau en carbure de silicium et polis à plusieurs reprises.
Au cours du processus de développement, ils ont découvert que même le polissage le plus méticuleux était insuffisant car, au niveau microscopique, la surface présentait encore des trous et des irrégularités.
Dans leur travail avec les équipes du LLNL, ils ont fini par découvrir qu’ils pouvaient glacer une capsule polie avec une nouvelle couche de cristaux de diamant pour obtenir la finition parfaite dont ils avaient besoin.
Lorsque les capsules de diamant arrivent au laboratoire, le noyau de silicium est retiré et la sphère creuse est remplie de deutérium et de tritium -isotopes lourds de l’hydrogène- avec un petit tube de verre, qui alimentent la réaction de fusion.
“Autour de cette pilule de combustible se trouve un cylindre d’or et d’uranium appauvri”, explique Mike Farrell, vice-président de la technologie de fusion inertielle chez General Atomics, le plus grand partenaire industriel du LLNL.
La troisième et dernière couche de la capsule est un cylindre en aluminium qui sert à refroidir son contenu avant la réaction.
Un autre domaine technologique crucial pour le NIF est l’optique : tout ce qui permet la transmission, la détection ou l’utilisation de la lumière.
Exploitant le laser le plus puissant au monde, le NIF utilise beaucoup de technologie optique et ses composants sont endommagés à chaque fois que la machine est allumée.
Depuis le début des années 1970, le NIF travaille en étroite collaboration avec des entreprises d’optique telles que Zygo Corporation et le fabricant de verres spéciaux SCHOTT pour monter des pièces, ainsi que pour fournir des pièces de rechange et des pare-éclats et pare-souffle.
Suite au succès de l’expérience de décembre, le NIF et ses partenaires relèvent le nouveau défi de raffiner davantage la technologie pour répliquer et améliorer la réaction.
Mike Farrell espère que ce pas en avant servira à promouvoir le soutien aux recherches futures.
“L’expérience a causé un changement de paradigme dans la communauté scientifique. On pensait que l’allumage était presque inaccessible ou ne pouvait se produire que 40 ans plus tard. Le résultat en décembre a été révélateur.”
De retour à Fribourg, Diamond Materials espère consacrer plus de temps à la recherche.
“Environ 20% de notre équipe est impliquée dans la recherche, et les deux PDG sont des physiciens”, explique Wild.
“La recherche à ce niveau est gourmande en ressources et nous ne pouvons pas négliger la production. C’est probablement pourquoi nous continuerons à agrandir l’équipe. Après tout, la recherche d’aujourd’hui mène aux produits de demain.”
Des équipes de scientifiques du monde entier s’efforcent aujourd’hui de construire une centrale à fusion fonctionnelle, en utilisant toutes sortes de techniques.
Mais atteindre l’objectif il faudra de nombreuses années et un investissement de milliards de dollars.
Le jalon de l’an dernier dans le NIF donnera probablement un coup de pouce au secteur, estime Farrell : “Maintenant qu’il a été démontré que l’allumage est possible, il peut être plus facile d’obtenir un financement du gouvernement et des entreprises.”
Cet investissement sera nécessaire pour faire face aux grands défis de la construction d’une centrale électrique, notamment pour trouver des matériaux capables de résister aux températures extrêmement élevées émises lors du processus de fusion.
Mais Farrell dit qu’une fois le grand pas initial franchi, le projet peut progresser rapidement.
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