Voici comment les scientifiques ont atteint pour la première fois l'"allumage" de la fusion nucléaire.

Un des plus grands progrès de la fusion nucléaire n'aurait pas pu se faire sans une impeccable art science.

En décembre 2022, des chercheurs du Laboratoire national de Livermore en Californie ont créé des réactions de fusion qui ont produit un excès d'énergie - une première. Dans l'expérience, 192 lasers ont bombardé une petite chambre, déclenchant des réactions de fusion - où de plus petits noyaux atomiques fusionnent pour former des noyaux plus grands - qui ont libéré plus d'énergie que celle qui les a initialement déclenchées (SN: 12/12/22). C'est une étape connue sous le nom de « réaction » et cela fait des décennies qu'on l'attendait.

Maintenant, les chercheurs ont publié les détails de cette expérience dans cinq articles examinés par des pairs publiés en ligne le 5 février dans Physical Review Letters et Physical Review E. L'exploit demandait un niveau d'habileté extraordinaire, en ajustant les conditions pour obtenir plus d'énergie des lasers et créer des conditions idéales pour la fusion.

Le travail est "exquisément beau", déclare le physicien Peter Norreys de l'Université d'Oxford. Norreys, qui n'a pas participé aux recherches, compare la réalisation à diriger un orchestre de classe mondiale : les différents éléments de l'expérience devaient être méticuleusement coordonnés et minutieusement chronométrés.

Les scientifiques ont également découvert un effet de chauffage prédit depuis longtemps qui pourrait révéler la physique d'autres environnements violents, tels que les étoiles en explosion appelées supernovas. "Les gens disent que la physique est un sujet aride", dit Norreys. "Mais je pense toujours que la physique est à l'avant-garde de la créativité."

La fusion, le même processus qui se produit dans le soleil, est une source d'énergie attrayante. Les centrales nucléaires à fusion ne produiraient pas de gaz à effet de serre. Et contrairement aux centrales nucléaires actuelles à fission nucléaire, qui divisent les noyaux atomiques pour produire de l'énergie, les centrales nucléaires à fusion ne produiraient pas de déchets radioactifs dangereux et à longue durée de vie. L'allumage est la première étape vers l'exploitation de cette énergie.

La génération de la fusion nécessite des pressions et des températures extrêmes. Dans l'expérience, les lasers de l'installation d'allumage national du LLNL ont bombardé l'intérieur d'un cylindre creux, appelé hohlraum, qui est de la taille d'une gomme à effacer. L'explosion a chauffé le hohlraum à une température bouillante de 3 millions de degrés Celsius - si chaud qu'il émettait des rayons X. À l'intérieur de ce four à rayons X, une capsule en diamant contenait le carburant : deux variétés lourdes d'hydrogène appelées deutérium et tritium. Le rayonnement a vaporisé la coque en diamant de la capsule, déclenchant l'implosion du carburant à des vitesses d'environ 400 kilomètres par seconde, créant les conditions chaudes et denses qui déclenchent la fusion.

Des expériences précédentes s'étaient approchées dangereusement de l'allumage (SN: 8/18/21). Afin de pousser plus loin, les chercheurs ont augmenté l'énergie de l'impulsion laser de 1,92 million de joules à 2,05 millions de joules. Pour ce faire, ils ont légèrement allongé l'impulsion laser, qui bombarde la cible pendant quelques nanosecondes, en l'étendant d'une fraction de nanoseconde. (Augmenter directement la puissance du laser, plutôt que d'allonger l'impulsion, risquait d'endommager l'installation.)

L'équipe a également épaissi la coque en diamant de la capsule d'environ 7 % - une différence de seulement quelques micromètres - ce qui a ralenti l'implosion de la capsule, permettant aux scientifiques de tirer pleinement parti de l'impulsion laser plus longue. "C'était un exploit assez remarquable", dit Norreys.

Mais ces ajustements ont modifié la symétrie de l'implosion, ce qui signifiait que d'autres ajustements étaient nécessaires. C'est comme essayer de réduire une balle de basketball à la taille d'un pois, dit la physicienne Annie Kritcher du LLNL, "et nous essayons de faire ça de manière spheriquement symétrique à moins de 1 pourcent."

Cela est particulièrement difficile en raison du mélange de particules chargées électriquement, ou plasma, qui remplit le hohlraum pendant l'explosion laser. Ce plasma peut absorber les faisceaux laser avant qu'ils n'atteignent les parois du hohlraum, perturbant la symétrie de l'implosion.

Pour équilibrer les choses, Kritcher et ses collègues ont légèrement modifié les longueurs d'onde des faisceaux laser de manière à leur permettre de transférer de l'énergie d'un faisceau à un autre. La correction nécessitait d'ajuster les longueurs d'onde des faisceaux par des angströms - des dixièmes de milliardièmes de mètre.

"Du point de vue de l'ingénierie, il est incroyable qu'ils aient pu le faire", déclare la physicienne Carolyn Kuranz de l'Université du Michigan à Ann Arbor, qui n'a pas participé aux travaux. De plus, "ces ajustements minuscules font une différence phénoménale."

Après tous les ajustements, les réactions de fusion qui ont suivi ont produit 3,15 millions de joules d'énergie - soit environ 1,5 fois l'énergie d'entrée, selon Kritcher et ses collègues dans Physical Review E. L'énergie totale nécessaire pour alimenter les lasers du NIF est beaucoup plus importante, environ 350 millions de joules. Bien que les lasers du NIF ne soient pas conçus pour être économes en énergie, cela signifie que la fusion est encore loin d'être une source d'énergie pratique.

Another experiment in July 2023 used a higher-quality diamond capsule and obtained an even larger energy gain of 1.9, meaning it released nearly twice as much energy as went into the reactions (SN: 10/2/23). In the future, NIF researchers hope to be able to increase the laser’s energy from around 2 million joules up to 3 million, which could kick off fusion reactions with a gain as large as 10.

The researchers also discovered a long-predicted phenomenon that could be useful for future experiments: After the lasers heated the hohlraum, it was heated further by effects of the fusion reactions, physicist Mordy Rosen and colleagues report in Physical Review Letters.

Following the implosion, the ignited fuel expanded outward, plowing into the remnants of the diamond shell. That heated the material, which then radiated its heat to the hohlraum. It’s reminiscent of a supernova, in which the shock wave from an exploding star plows through debris the star expelled prior to its explosion (SN: 2/8/17).

“This is exactly the collision that’s happening in this hohlraum,” says Rosen, of LLNL, a coauthor of the study. In addition to explaining supernovas, the effect could help scientists study the physics of nuclear weapons and other extreme situations.

NIF is not the only fusion game in town. Other researchers aim to kick off fusion by confining plasma into a torus, or donut shape, using a device called a tokamak. In a new record, the Joint European Torus in Abingdon, England, generated 69 million joules, a record for total fusion energy production, researchers reported February 8.

After decades of slow progress on fusion, scientists are beginning to get their atomic orchestras in sync.