Les scientifiques se sont rapprochés de manière tentante de reproduire la puissance du soleil – bien que seulement dans un grain d’hydrogène pendant une fraction de seconde.

Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont rapporté mardi qu’en utilisant 192 lasers gigantesques pour annihiler une pastille d’hydrogène, ils ont pu déclencher une explosion de plus de 10 quadrillions de watts de puissance de fusion – énergie libérée lorsque des atomes d’hydrogène sont fusionnés en hélium, le même processus qui se produit dans les étoiles.

En effet, Mark Herrmann, directeur adjoint du programme de Livermore pour la physique fondamentale des armes, a comparé la réaction de fusion aux 170 quadrillions de watts de soleil qui baignent la surface de la Terre.

« C’est environ 10 pour cent de cela », a déclaré le Dr Herrmann. Et toute l’énergie de fusion émanait d’un point chaud à peu près aussi large qu’un cheveu humain, a-t-il déclaré.

Mais l’explosion – essentiellement une bombe à hydrogène miniature – n’a duré que 100 billions de seconde.

Pourtant, cela a suscité un regain d’optimisme pour les scientifiques de la fusion qui ont longtemps espéré que la fusion pourrait un jour fournir une source d’énergie propre et illimitée pour l’humanité.

« Je suis très enthousiaste à ce sujet », a déclaré Siegfried Glenzer, scientifique au laboratoire national de l’accélérateur SLAC à Menlo Park, en Californie, et qui avait dirigé les premières expériences de fusion à l’installation de Livermore il y a des années, mais n’est pas actuellement impliqué dans le recherche. « C’est très prometteur pour nous, de parvenir à une source d’énergie sur la planète qui n’émettra pas de CO2.

Le succès a également signifié un moment de rédemption pour l’appareil laser de la taille d’un stade de football de Livermore, qui est nommé National Ignition Facility, ou NIF Malgré un investissement de milliards de dollars – la construction a commencé en 1997 et les opérations ont commencé en 2009 – l’appareil initialement généré pratiquement aucune fusion. En 2014, les scientifiques de Livermore ont finalement signalé un succès, mais l’énergie produite à l’époque était minuscule – l’équivalent de ce qu’une ampoule de 60 watts consomme en cinq minutes.

Le 8 août, l’explosion d’énergie était beaucoup plus importante – 70 % autant que l’énergie de la lumière laser frappant la cible d’hydrogène. C’est toujours une proposition perdante en tant que source d’énergie, consommant plus d’énergie qu’elle n’en produit. Mais les scientifiques sont convaincus que d’autres sauts dans la production d’énergie étaient possibles avec un réglage fin de l’expérience.

Le Dr Herrmann a déclaré que normalement, les scientifiques de Livermore ne parleraient pas avant la publication d’un article scientifique décrivant les résultats. Mais ces découvertes « se sont propagées comme une traînée de poudre », a-t-il déclaré, « et nous avons donc pensé qu’il serait préférable de publier certains faits maintenant ».

Stephen Bodner, un physicien des plasmas à la retraite qui a longtemps critiqué le NIF, a offert ses félicitations. « Je suis surpris », a-t-il déclaré. « Ils se sont suffisamment rapprochés de leur objectif d’allumage et de rentabilité pour l’appeler un succès. »

Plus prometteur, les réactions de fusion semblaient pour la première fois auto-entretenues, ce qui signifie que le torrent de particules sortant du point chaud au centre de la pastille chauffait les atomes d’hydrogène environnants et les faisait également fusionner.

Riccardo Betti, scientifique en chef au Laboratoire d’énergie laser de l’Université de Rochester, a donné une analogie avec le fonctionnement d’un moteur automobile. « Vous fournissez de l’énergie dans une très petite fraction du carburant via une étincelle dans la bougie, puis cette énergie est amplifiée par la combustion du carburant », a-t-il déclaré. « Donc, la même chose s’est produite dans l’expérience Livermore. »

Le Dr Herrmann a été plus circonspect, notant que les résultats étaient en deçà de la définition établie par un rapport de l’Académie nationale des sciences en 1997, que l’énergie de fusion produite devait dépasser la quantité d’énergie délivrée par les lasers à l’hydrogène. « Nous sommes sur le seuil », a-t-il déclaré.

Les scientifiques de Livermore ont déclaré qu’ils devaient analyser leurs résultats plus attentivement avant de faire des déclarations plus détaillées.

Le Dr Glenzer, cependant, a déclaré qu’il était sûr que la fusion s’était propagée. Les réactions de fusion ont produit un torrent de particules subatomiques connues sous le nom de neutrons – plus que les instruments ne pouvaient en compter.

« Les données sont assez évidentes », a déclaré le Dr Glenzer.

Les résultats améliorés de la fusion aident également le National Ignition Facility à remplir son utilisation principale – pour vérifier que les armes nucléaires fonctionnent. Après que les États-Unis ont suspendu les essais nucléaires souterrains en 1992, les responsables du laboratoire ont fait valoir qu’un moyen était nécessaire pour vérifier les modèles informatiques qui ont remplacé les tests.

Le Dr Herrmann a déclaré que dans les 24 heures suivant la dernière expérience, quelqu’un travaillant sur le programme de modernisation des armes nucléaires a contacté l’équipe du NIF. « Ils sont intéressés à appliquer cela à des questions importantes qu’ils se posent », a-t-il déclaré.

Le centre du National Ignition Facility est la chambre cible, une sphère métallique de 33 pieds de large avec un équipement de diagnostic brillant rayonnant vers l’extérieur.

Le complexe laser remplit un bâtiment avec une empreinte au sol égale à trois terrains de football. Chaque explosion commence par une petite impulsion laser qui est divisée via des miroirs partiellement réfléchissants en 192 faisceaux, puis rebondit dans les deux sens à travers des amplificateurs laser avant de converger sur un cylindre en or de la taille et de la forme d’une gomme à crayon.

Les faisceaux laser pénètrent en haut et en bas du cylindre, le vaporisant. Cela génère une attaque de rayons X vers l’intérieur qui comprime une pastille de combustible de la taille d’une BB de deutérium et de tritium soigneusement congelés, les formes les plus lourdes de l’hydrogène. En un bref instant, les atomes en implosion fusionnent.

Depuis les premiers résultats prometteurs de 2014, les scientifiques du NIF ont bricolé la configuration de l’expérience. Les capsules contenant l’hydrogène sont maintenant faites de diamant au lieu de plastique – non pas parce que le diamant est plus fort, mais parce qu’il absorbe plus facilement les rayons X. Les scientifiques ont ajusté la conception du cylindre d’or et de l’impulsion laser pour minimiser les instabilités.

Les scientifiques disposent désormais également de meilleurs outils de diagnostic.

Après des années d’améliorations modestes, les combinaisons de modifications ont commencé à porter leurs fruits, et les calculs ont indiqué que le tir du 8 août pourrait tripler ce que NIF avait produit au printemps. Au lieu de cela, le gain était un facteur de huit, bien plus que ce qui avait été prévu.

« Je pense que tout le monde a été surpris », a déclaré le Dr Herrmann. Une partie de l’analyse actuelle consiste à déterminer quels changements ont si bien fonctionné.

Le NIF lui-même ne peut pas servir de modèle pour une future centrale électrique. Ses lasers sont inefficaces et il ne peut tirer qu’environ une fois par jour. Une centrale électrique à fusion laser aurait besoin de vaporiser des pastilles d’hydrogène à une vitesse de plusieurs par seconde.

Le Dr Glenzer a déclaré que le SLAC travaillait sur un système laser qui fonctionnerait à des niveaux de puissance inférieurs mais se déclencherait beaucoup plus rapidement. Il a dit qu’il espérait que la fusion, éclipsée ces dernières années par l’énergie solaire et d’autres technologies énergétiques, gagnerait à nouveau en importance dans les efforts visant à remplacer les combustibles fossiles.

Le financement fédéral de la recherche sur la fusion est faible, même si l’administration Biden a mis l’accent sur la réduction du changement climatique.

« Parfois, il arrive, au cours de la pire année de votre financement, que vous obtenez les meilleurs résultats », a déclaré le Dr Glenzer.

Bien que le Dr Bodner préfère une approche alternative à celle de l’expérience actuelle, il a déclaré que le résultat du NIF indiquait une voie à suivre.

« Cela démontre aux sceptiques qu’il n’y a rien de fondamentalement mauvais dans le concept de fusion laser », a-t-il déclaré. « Il est temps pour les États-Unis d’aller de l’avant avec un programme majeur d’énergie de fusion laser. »

Les lasers ne sont pas la seule approche visant à exploiter la fusion pour les futures centrales électriques.

Les scientifiques ont également utilisé des réacteurs en forme de beignet appelés tokamaks qui utilisent des champs magnétiques pour contenir et comprimer le carburant hydrogène. À la fin des années 1990, l’expérience Joint European Torus en Angleterre a pu générer 16 millions de watts d’énergie de fusion pendant un bref instant, soit environ 70 % du chemin pour produire autant d’énergie qu’elle en a consommée. Un projet international nommé ITER construit actuellement un réacteur tokamak plus grand en France, dont la mise en service est prévue en 2025.