Une percée historique pour l'énergie propre du futur

L'une des applications les plus prometteuses de la technologie laser, la réalisation de la fusion par laser, a fait une percée historique. Comme l'a annoncé le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL, Californie, États-Unis) dans son communiqué de presse du 13 décembre 2022, les scientifiques américains du National Ignition Facility (NIF) ont réussi à libérer une énergie de fusion de 3,15 mégajoules (MJ) à partir d'une pastille remplie des isotopes d'hydrogène deutérium et tritium. Cela équivaut à 154 % de l'énergie dépensée équivalente à 2,05 MJ de l'impulsion laser qui a déclenché l'explosion. Ce gain net d'énergie représente la première percée internationale attendue depuis longtemps dans la recherche sur la fusion. Ces résultats fourniront une capacité sans précédent pour soutenir la mission de physique à haute densité énergétique du ministère américain de l'énergie et ont établi la plate-forme physique permettant de générer une source d'énergie efficace comparable au soleil, ce qui en fait un complément viable à long terme aux énergies renouvelables.

"Amener la puissance des étoiles sur Terre est un moment décisif pour l'humanité, rendant tangible la perspective d'une source d'énergie propre, abondante, sûre et fiable", s'est réjoui le professeur Constantin Haefner, directeur de l'Institut Fraunhofer de technologie laser ILT à Aix-la-Chapelle, en Allemagne, qui a lui-même été directeur du programme des technologies photoniques avancées au NIF pendant de nombreuses années jusqu'en 2019. "Cette percée est l'aboutissement d'un parcours scientifique de 60 ans visant à résoudre l'un des défis techniques les plus difficiles auxquels l'humanité est confrontée."

La fusion de l'hydrogène en hélium libère d'immenses quantités d'énergie

Dans la nouvelle étape du NIF, des lasers pulsés géants délivrent une énergie de plus de 2 millions de joules de lumière UV avec précision dans un cylindre recouvert d'or d'environ 1 cm de long, que les experts appellent un "Hohlraum", où l'interaction des faisceaux laser avec les parois internes produit des rayons X. Ces derniers se répandent ensuite uniformément dans le Hohlraum. Ceux-ci se répandent ensuite uniformément dans le Hohlraum comme dans un four chaud. Une bille d'environ 2 millimètres, contenant un mélange des isotopes d'hydrogène deutérium et tritium et suspendue au centre du hohlraum, absorbe les rayons X qui se propagent en se réchauffant rapidement. L'enveloppe extérieure de la pastille est soufflée, et la pression d'implosion qui en résulte comprime l'hydrogène combustible jusqu'à une densité des centaines de fois supérieure à celle de la matière solide, formant en son centre un point chaud d'une température de plus de 120 millions de degrés Celsius. Cela déclenche à son tour la fusion de l'hydrogène en hélium. Chaque réaction de fusion de deux noyaux légers libère 17,6 MeV par réaction sous forme de neutrons et de particules alpha. Les particules alpha sont immédiatement réabsorbées par le plasma, ce qui le réchauffe davantage et déclenche une vague de combustion auto-entretenue. Après moins de 100 picosecondes, la température élevée et l'énorme pression provoquent l'expansion du combustible restant et la chute des paramètres en dessous du seuil de fusion, connu sous le nom de critère de Lawson. Cet effet rend également la réaction de fusion sûre, car aucune réaction en chaîne critique ne peut se produire.

Dans l'expérience actuelle, 2,05 MJ d'énergie laser ont été utilisés pour comprimer et chauffer la cible. Seul ~1% de l'énergie est délivré au point chaud en raison des inefficacités du processus d'implosion. L'emballement thermique provoqué par la réaction de fusion a enflammé le plasma et produit ~ 3,15 MJ d'énergie avec une puissance instantanée d'environ 52 500 000 000 000 000 watts, dont le diamètre est moins épais qu'un cheveu. Cette avancée majeure par rapport aux résultats précédents a été rendue possible grâce aux données des expériences précédentes et à une meilleure compréhension de la physique de la fusion, qui ont ensuite permis d'améliorer la conception du hohlraum, la structure de la pastille de combustible et de modifier le laser et l'impulsion laser.

L'énergie de fusion : la source d'énergie propre et pratiquement inépuisable de l'avenir

Pour atteindre l'objectif climatique mondial consistant à limiter le réchauffement de la planète à moins de 2 degrés Celsius, l'Allemagne doit atteindre la neutralité en matière d'effet de serre d'ici 2045. Cet objectif sera atteint grâce à une expansion massive et rapide des énergies renouvelables, qui passeront de près de 50 % actuellement à 100 % pour la production d'électricité, et grâce à l'abandon complet des sources d'énergie fossiles dans tous les secteurs d'utilisation finale, en augmentant l'efficacité énergétique et en utilisant tous les types de sources d'énergie renouvelables. Cela s'accompagnera d'une réduction continue de la dépendance à l'égard des importations de combustibles fossiles. Dans le même temps, l'hydrogène produit à partir de ressources renouvelables est nécessaire pour stocker et transporter l'énergie provenant de sites bénéficiant d'une exposition solaire et éolienne très efficace. "Dans le monde entier, la demande d'électricité devrait connaître une forte croissance au cours des prochaines décennies. D'une part, l'électricité est en train de devenir l'énergie primaire la plus importante, car elle sera également de plus en plus utilisée pour le chauffage dans les bâtiments, l'industrie et le secteur de la mobilité et sera convertie en hydrogène et en dérivés de l'hydrogène", déclare le professeur Hans-Martin Henning, directeur de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE et président du Conseil d'experts sur les questions climatiques du gouvernement allemand. "D'autre part, l'électricité sera nécessaire en quantités encore bien plus importantes qu'aujourd'hui pour le dessalement de l'eau et, à long terme, probablement aussi pour éliminer le dioxyde de carbone de l'atmosphère."

La production d'énergie à partir de la fusion pourrait ouvrir une source d'énergie supplémentaire, pratiquement inépuisable, indépendante des conditions météorologiques et, surtout, également sans émissions. Toutefois, la fusion contrôlée pour la production d'énergie est extrêmement exigeante sur le plan technique ; la résolution des défis restants et la construction du premier démonstrateur de fusion prendront manifestement plus d'une décennie. Elle ne contribuera donc pas à une réduction accélérée des émissions de gaz à effet de serre à court et moyen terme. Le professeur Haefner, commissaire à la recherche sur la fusion de la Fraunhofer Gesellschaft en Allemagne, ajoute : "La fusion est un investissement à haut risque et à haut rendement et - en cas de succès - le Saint Graal pour atteindre la souveraineté énergétique et répondre aux besoins énergétiques du monde à long terme. "Il est temps de mettre les voiles pour mettre l'énergie de fusion sur le réseau, un voyage qui représente clairement un effort de plusieurs décennies, en supposant que le monde s'engage et maintienne l'investissement."

L'urgence de démontrer puis de mettre sur le marché l'énergie de fusion inertielle (IFE) est sous-tendue par l'intérêt rapidement croissant du secteur privé pour le développement de l'énergie de fusion. En mars 2022, le Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison Blanche des États-Unis a réuni l'industrie et le monde universitaire lors d'un sommet pour annoncer une vision décennale audacieuse pour le développement commercial de l'énergie de fusion.

Un nombre croissant de jeunes entreprises dans le monde s'attaquent aux aspects du développement technologique qui sont encore nécessaires. Actuellement, plus de 30 entreprises sont actives dans le domaine de l'énergie de fusion magnétique et des technologies magnéto-inertielles et 6 entreprises sont actives dans le domaine de l'IFE. L'investissement total est passé de 1,8 milliard de dollars US au cours des deux dernières années à plus de 4,7 milliards de dollars US aujourd'hui, selon la Fusion Industry Association. Quatre de ces jeunes entreprises sont basées en Allemagne.

Un changement de cap dans la technologie laser

Cette dernière expérience représente une réussite majeure pour la science et témoigne de la polyvalence et de la précision des lasers. L'installation NIF, d'un coût de 3,5 milliards de dollars, abrite le système laser le plus puissant du monde et le plus grand système optique du monde, comptant plus de 7 500 optiques spécialisées à l'échelle du mètre qui génèrent et dirigent l'énergie laser vers la cible. L'installation du FNI n'effectue généralement qu'un seul tir par jour ; un démonstrateur IFE ou une centrale électrique devrait effectuer 10 à 20 tirs par seconde avec une efficacité élevée des bouchons. Tous les concepts de systèmes d'injection de combustible dans la cible, d'élimination des déchets et de laser doivent faire la preuve de leur efficacité, de leur fiabilité, de leur maintenabilité et de leur capacité opérationnelle ; ils doivent faire évoluer les architectures et les technologies vers des dispositifs prêts à être utilisés dans une centrale de fusion, tout en réduisant les coûts de production et d'exploitation, ainsi que les chaînes d'approvisionnement sécurisées et construites. Les réductions de coûts nécessaires, qui sont souvent de plusieurs ordres de grandeur, exigent des solutions innovantes et révolutionnaires de la part de l'industrie des lasers et de l'optique.

"Disons qu'en 2050, nous devrons mettre en service plusieurs centrales à fusion par an pour que l'IFE contribue à notre réseau électrique. Cela nécessitera la production de plusieurs centaines de lasers puissants de la taille de conteneurs d'outre-mer", explique le professeur Haefner. "Nous devons repenser complètement la production de lasers et d'optiques et mettre en place des lignes de production automatisées comme celles de l'industrie automobile, mais avec une précision de moins de longueurs d'onde optiques."

Les milieux de gain des amplificateurs, les optiques, les revêtements, les cristaux - tous nécessiteront une production de masse à faible coût. Et il y a bien d'autres problèmes complexes à résoudre sur la voie de l'énergie de fusion. Cependant, les défis stimulent l'innovation, et l'innovation fait naître de nouvelles solutions sur d'autres marchés, ce qui permet un retour sur investissement rapide. Le professeur Haefner résume la situation en quelques mots : "L'énergie de fusion est une entreprise à fort enjeu et, à ce titre, se lancer et poursuivre les approches les plus prometteuses est une bonne stratégie. La course est lancée".