Cette semaine, il a été annoncé une grande avancée dans l’investigation de la fusion nucléaire que j’ai déjà commentée ici dans une précédente, pour ce qui était attendu et ce qui avait été divulgué aux médias avant la conférence de presse de mardi dernier au siège du département américain de l’Énergie. Maintenant, dans le passé, il est temps de mettre à jour et de commenter les informations. Un peu tard, je sais, mais c’est comme ça…
Comme cela fait suite à ce qui a été publié précédemment, ils vont me permettre de m’éviter de répéter l’explication sur ce qu’est la fusion nucléaire et comment elle fonctionne. Si vous ne le connaissez pas, vous en aurez besoin pour comprendre ce qui suit, mais vous pouvez trouver les détails ici.
On peut dire que ce qui a été révélé lors de la conférence de presse Il a largement dépassé les attentes. mais aussi que il y a des raisons de modérer cet enthousiasme triomphaliste qui s’est répandu. Quand La secrétaire américaine à l’Énergie, Jennifer Granholm, a déclaré aux médias que ce qui a été réalisé est “l’une des réalisations scientifiques les plus impressionnantes du 21ème siècle”, peut-être faut-il le reconnaître, mais avec des nuances. Ces nuances peuvent même s’expliquer par la comparaison que Granholm a faite avec le premier vol des frères Wright en 1903, comme je vais l’expliquer.
La secrétaire à l’Énergie du gouvernement américain, Jennifer Granholm, lors de la conférence de presse sur le gain net d’énergie obtenu le 5 décembre 2022 dans une expérience de fusion nucléaire au National Ignition Facility. Image du DOE.
Comme je l’ai déjà brièvement relaté, en 2021 les chercheurs du National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie avaient franchi un cap beaucoup moins médiatisé que l’actuel, mais pour certains physiciens c’était l’étape vraiment pertinente (rappelons que les médias généralistes ne rapportent pas nécessairement la science la plus importante, puisqu’ils ne suivent pas les publications scientifiques, mais plutôt ce qui est diffusé à travers les communiqués de presse et les conférences).
À cette occasion, 1,3 mégajoules (MJ, million de joules, l’unité d’énergie) ont été obtenus en brûlant le combustible contre 1,9 injectés par les lasers. Quiconque fait le calcul verra que cela représente un gain d’énergie de 0,68, c’est-à-dire négatif. Mais lorsque les chercheurs ont examiné leurs données et leurs mesures, Ils ont confirmé qu’ils avaient obtenu l’allumage.
Il y a une explication à cela : en réalité, l’énergie qui parvient au combustible de fusion est inférieure à celle injectée par les lasers dans le réceptacle et la capsule qui le contiennent. Par conséquent, l’énergie qui a réellement enflammé le carburant n’était pas de 1,9 MJ, mais d’une quantité inférieure. Assez petit pour que le gain soit en fait positif lorsque l’on compare l’énergie réelle absorbée par le combustible aux 1,9 MJ produits lors de la fusion.
Ce n’était dans aucun journal, mais cela a fait beaucoup de bruit parmi les physiciens parce que c’était la démonstration du principe, la percée : le NIF était capable de réaliser l’allumage. Au cours des années précédentes, et compte tenu de l’absence de grands progrès, un climat de pessimisme s’était créé dans lequel de nombreux experts doutaient qu’il puisse y parvenir. Jusque-là, seules avaient été obtenues des énergies de fusion environ 8 fois inférieures, si ma mémoire est bonne.
Ce nouveau résultat montrait que c’était possible, et que ce serait une question de temps. Il ne restait plus qu’à peaufiner la conception du système en fonction des simulations pour obtenir ce petit plus qui dépasserait formellement ce que les physiciens de la fusion appellent il « seuil de rentabilité scientifique »le gain net formel compte tenu de l’énergie totale fournie (c’est ce qui a été annoncé maintenant).
Une explication un peu plus détaillée : aussi bien expliqué ici Steven Kivrit, lorsqu’il parle de gain d’énergie net dans une expérience de fusion nucléaire à confinement inertiel, en fait Il faut distinguer cinq échelles de gain, comme cinq jalons à franchir :
Tout d’abord, l’énergie obtenue en fusion par rapport à celui qui reçoit le carburant.
Deuxièmement, l’énergie obtenue en fusion par rapport à celui qui reçoit la capsule de carburant.
Troisièmement, l’énergie obtenue en fusion concernant celui qui reçoit l’appel cavité, qui est une sorte de récipient cylindrique en or qui contient la capsule ; Dans cette méthode dite indirecte, les lasers ne pointent pas directement sur la capsule de combustible, mais à l’intérieur du cavité, et cela convertit la lumière en rayons X qui sont ceux qui brûlent le carburant. Avec un système direct, où les lasers bombardent la capsule de carburant sans utiliser de cavitéles deuxième et troisième jalons sont les mêmes.
Un hohlraum comme ceux utilisés dans le NIF. C’est un petit cylindre en or qui contient la capsule de deutérium et de tritium à l’intérieur. Les lasers entrent par les extrémités ouvertes. Image de l’installation nationale d’allumage du Laboratoire national, Laboratoire national Lawrence Livermore.
Quatrièmement, l’énergie obtenue en fusion concernant l’énergie de l’électricité que les lasers dépensent.
Et enfin, le cinquième est que l’électricité qui peut être obtenue à partir de l’énergie de fusion dépasse l’électricité dépensée par les lasers.
Les trois premiers concepts sont différents car tout au long du processus il y a des pertes d’énergie. De la contribution à cavité sous forme de photons, une partie seulement est traduite en rayons X incidents sur la capsule de combustible. Et de cela, seule une partie atteint l’intérieur du carburant. Quant à la quatrième étape, c’est parce que les lasers sont très inefficaces ; de toute l’énergie qu’ils consomment, seule une partie est émise sous forme de jets de lumière. Et enfin, quelle que soit la quantité d’énergie obtenue à partir de la fusion nucléaire, pour l’exploiter, elle doit être convertie en électricité. Ce n’est que lorsque cette cinquième étape sera terminée que nous aurons la fusion nucléaire pour micro-ondes ce qui restait de la pizza d’hier.
L’expérience de 2021 a passé les étapes un et deux et était sur le point de passer à la troisième. Il est arrivé qu’après ce résultat, la même chose n’ait pas été obtenue à nouveau. Outre la conception du système et les simulations, le processus est extrêmement sensible à toute erreur ou défaut insignifiant. Par exemple, si la symétrie de la capsule ou de la pastille de carburant échoue même dans une ampleur infinitésimale du diamètre d’un cheveu humain, tout est gaspillé. Cette perfection nécessaire, jointe à certaines modifications du système, Ils ont joué un rôle clé pour franchir enfin la nouvelle étape : la troisième étape.
Comme annoncé cette semaine, dans ce dernier tir 2,05 MJ ont été injectés dans le cavité et 3,15 MJ ont été obtenus lors de la fusion, ce qui suppose un bénéfice supérieur à 1,5 ; c’est-à-dire qu’ils sont allés trop loin par rapport à l’objectif à atteindre, et cela mérite certainement d’être célébré. En général, on peut dire que les scientifiques de la fusion ont accueilli la nouvelle avec beaucoup d’enthousiasme.
Mais maintenant viennent les nuances. Concernant les paroles de Granholm, pour tout ce qui précède, il faut comprendre qu’il ne s’agit pas d’une réalisation du 5 décembre 2021, mais l’aboutissement de 60 années de recherche dont les jalons ont été progressivement dépassés. L’annonce est maintenant importante dans un long processus.
C’est pourquoi la comparaison avec la fuite des frères Wright est bien amenée : Bien que l’on pense souvent que ce sont eux qui ont volé pour la première fois, ce n’est pas le cas. Beaucoup d’autres avaient déjà volé avant eux. La première étape, monter dans un engin plus lourd que l’air, avait déjà été franchie. Aussi le second (plus ou moins), la propulsion. Ce qu’ils ont réalisé était d’atteindre une troisième étape, construire un appareil qui pourrait être piloté en contrôlant le mouvement dans les trois axes de l’espace. Mais même après avoir surmonté ce défi, traduire le succès des frères Wright dans le premier avion commercial pratique a encore nécessité des années de développement.
Cette dernière prendra des décennies dans le cas de la fusion nucléaire. Premièrement, le fait que la barrière de seuil de rentabilité scientifique ne signifie pas qu’il a déjà été laissé pour compte. Comme expliqué, il n’est pas garanti que dans les prochaines expériences ce gain d’énergie de 1,5 soit répété. Espérons que les chercheurs du NIF ont réussi à contrôler toutes les variables de l’expérience avec suffisamment de compétence et de perfection pour que le résultat puisse être facilement reproduit à l’avenir. Mais nous devrons attendre et voir.
Deuxièmement et surtout, parce que Ce mantra répété dans les médias selon lequel le Saint Graal de l’énergie propre et inépuisable a été trouvé est une exagération aux proportions colossales. Comme je l’expliquais dans l’article précédent et je pense qu’on le comprendra désormais mieux, pour franchir le quatrième cap, un net gain d’énergie de fusion par rapport à celle consommée par les lasers, il faudrait multiplier le résultat obtenu maintenant par 10, par 100 ou même peut-être pour 1 000 (ce qui se passe, c’est que ce n’est pas le but du NIF, comme je vais l’expliquer maintenant).
Quant à la cinquième étape, n’en parlons même pas ; C’est encore de la science-fiction. N’oublions pas que le NIF est une installation de 3,5 milliards de dollars, de la taille d’un stade de football, utilisée pour bombarder avec 192 lasers – qui après chaque tir doivent être laissés refroidir pendant presque une journée complète – une minuscule pastille congelée de deutérium et de tritium qui se transforme soudain en un petit soleil pendant quelques milliardièmes de seconde, puis s’éteint. Pour transformer cela en une forme pratique d’énergie, les ingénieurs devraient trouver comment construire un réacteur capable de reconstituer rapidement le petit et très coûteux pellets de carburant et tirant des lasers en rafales comme une mitrailleuse.
Et ce n’est pas tout : malheureusement, même quand/si un jour tout ce qui précède est possible, la vérité est que Personne n’a encore trouvé de moyen pratique de convertir l’énergie de la fusion par confinement inertiel en électricité. Pour le moment, tout ce que nous avons est une explosion miniature (en fait une implosion) avec une puissance incroyable, pendant quelques milliardièmes de seconde.
Enfin, il y a quelque chose qu’il faut souligner, qui justifie le grand enthousiasme des responsables du Département américain de l’énergie (DOE) qui ont participé à la conférence de presse, et qui n’a pas non plus été suffisamment expliqué ici. Le NIF est une installation dépendant de la National Nuclear Security Administration (NNSA) et qui Il n’a pas été conçu pour étudier la fusion nucléaire en tant que source d’énergie, mais dans un but très différent : Simulez des tests d’armes thermonucléaires sans avoir à tester les bombes elles-mêmes au sol.
En 1992, les États-Unis ont abandonné les essais nucléaires et se sont depuis appuyés sur un programme d’expérimentation pour vérifier l’opérabilité et la sécurité de leur arsenal nucléaire sans faire exploser directement les bombes. Le nouveau résultat est un grand pas en avant pour le programme nucléaire américain, qui soutient ceux qui ont opté pour cette approche contre ceux qui ont fait pression pour relancer les essais nucléaires.
Il est vrai que maintenant, selon certains médias spécialisés, le gouvernement américain est face à un dilemme. Lors de la conférence de presse, une nouvelle injection de 624 millions de dollars a été annoncée afin que le FNI puisse avancer dans ses investigations depuis le cap récemment franchi. Bien sûr, les États-Unis n’ont jamais caché l’objectif du NIF, et ils ne vont pas non plus l’abandonner. Mais compte tenu des attentes générées à travers le monde, et avec la pression publique croissante et énorme pour la recherche d’alternatives aux combustibles fossiles, l’avancée que ce nouveau résultat apporte à la ligne de la recherche énergétique ne peut être ignorée. comme ça compte pour Nature le physicien Stephen Bodner, ancien responsable du programme de fusion laser au US Naval Research Laboratory, “La grande question est maintenant de savoir ce que le DOE fera ensuite : doubler la recherche sur les armes au NIF ou pivoter vers un programme laser ciblant la recherche sur l’énergie de fusion”.
