Pourquoi les lasers sont importants pour la fusion nucléaire 

La fusion nucléaire se pro­duit dans les objets célestes, comme le cœur des étoiles, et dans les armes ther­mo­nu­cléaires. Elle se pro­duit lorsque deux noyaux légers, comme l’hydrogène et ses iso­topes, fusionnent pour pro­duire un noyau plus gros et plus lourd tout en libé­rant de l’énergie. Depuis 50 ans, les cher­cheurs tentent d’imiter ce pro­ces­sus pour des appli­ca­tions éner­gé­tiques et de défense natio­nale, mais il n’est pas facile de construire un réac­teur de fusion capable de four­nir de l’énergie de manière contrôlable.

Le labo­ra­toire Law­rence Liver­more Natio­nal Labo­ra­to­ry (LLNL) aux États-Unis a récem­ment réus­si à créer un état de « plas­ma brû­lant » sur le Natio­nal Igni­tion Faci­li­ty (NIF). Le LLNL est l’un des deux prin­ci­paux labo­ra­toires au monde tra­vaillant sur une tech­nique appe­lée fusion par confi­ne­ment iner­tiel (ICF) avec des « lasers de puis­sance »¹. L’autre labo­ra­toire ICF est le Laser Méga­joule du CEA en France, actuel­le­ment en cours de construction.

Pour pro­duire une fusion ther­mo­nu­cléaire en labo­ra­toire, il faut chauf­fer un com­bus­tible à des tem­pé­ra­tures incroya­ble­ment éle­vées — sem­blables à celles du soleil. À de telles tem­pé­ra­tures, le com­bus­tible perd son état solide, en deve­nant un « plas­ma », état dans lequel les réac­tions de fusion se pro­duisent facilement.

Une fois la fusion réa­li­sée, il faut pro­duire plus d’énergie que celle pro­duite, afin que l’énergie excé­den­taire puisse être uti­li­sée dans des appli­ca­tions telles que la pro­duc­tion d’électricité.

Il existe deux méthodes prin­ci­pales pour chauf­fer et puis confi­ner le plas­ma. La pre­mière consiste à uti­li­ser le « confi­ne­ment magné­tique » dans un appa­reil appe­lé un toka­mak. Ici, un anneau supra­con­duc­teur confine le plas­ma à des den­si­tés de pres­sion rela­ti­ve­ment faibles, mais à des tem­pé­ra­tures très éle­vées pen­dant de longues périodes. La seconde consiste à uti­li­ser des lasers de puis­sance : des lasers qui émettent de puis­santes impul­sions lumi­neuses d’une durée de 10 à 20 nano­se­condes seule­ment et qui pro­duisent entre 1 et 2 méga­joules (MJ) d’énergie.

Cette deuxième tech­nique est connue sous le nom de fusion par confi­ne­ment iner­tiel (ICF) et néces­site des tem­pé­ra­tures et des pres­sions éle­vées. De plus, une fois la fusion réa­li­sée, il faut pro­duire plus d’énergie que celle pro­duite, afin que l’énergie excé­den­taire puisse être uti­li­sée dans des appli­ca­tions telles que la pro­duc­tion d’électricité. La réac­tion de fusion doit éga­le­ment être autoen­tre­te­nue — un pro­ces­sus qui est déclen­ché par un phé­no­mène appe­lé « igni­tion », dans lequel les par­ti­cules alpha qui sont éga­le­ment émises pen­dant la fusion dégagent de la cha­leur pour ini­tier une nou­velle fusion.

Au NIF, les cher­cheurs ont uti­li­sé un ensemble de lasers puis­sants étroi­te­ment foca­li­sés sur une cap­sule de com­bus­tible de taille mil­li­mé­trique, conte­nant de minus­cules pas­tilles d’isotopes d’hydrogène — deu­té­rium et tri­tium — sus­pen­dues à l’intérieur d’un « four » cylin­drique à rayons X appe­lé hohl­raum. Dans ce type d’expérience, la cha­leur des rayons X émis par le four fait explo­ser, ou abla­ter, la sur­face de la cap­sule. Ain­si, en implo­sant, la sur­face de la cap­sule com­prime et chauffe le com­bus­tible deu­té­rium-tri­tium jusqu’à ce que les noyaux d’hydrogène fusionnent en hélium, libé­rant des neu­trons et d’autres formes d’énergie.

Dans ce type d’expérience, nous par­lons d’une cap­sule d’une taille ini­tia­le­ment mil­li­mé­trique. Nous la fai­sons ensuite conver­ger vers un dia­mètre d’environ 50 microns afin d’augmenter la den­si­té comme la tem­pé­ra­ture et géné­rer la réac­tion de fusion. 

Chaque impul­sion laser ne dure que quelques nano­se­condes et les lasers peuvent déli­vrer envi­ron 1,9 MJ d’énergie. C’est ce puis­sant souffle qui pro­voque l’implosion rapide de la cap­sule, créant d’immenses tem­pé­ra­tures pou­vant atteindre 100 mil­lions de degrés Cel­sius. À l’intérieur du point chaud cen­tral, dans lequel se pro­duisent les réac­tions de fusion, les den­si­tés de pres­sion sont 100 fois supé­rieures à la pres­sion atmosphérique.

Le choc créé par le laser com­prime la matière à des vitesses si éle­vées (d’environ 400 km/s) qu’elle atteint des éner­gies ciné­tiques énormes. Ce n’est que lorsque la com­pres­sion « stagne » que l’énergie ciné­tique se trans­forme en éner­gie ther­mique, qui, elle aus­si, est colos­sale. Seul un ins­tru­ment tel qu’un laser de puis­sance pos­sède l’énergie néces­saire pour com­pri­mer ain­si la matière. 

C’est la pre­mière fois que nous dis­po­sons d’un sys­tème dans lequel la fusion elle-même four­nit la majeure par­tie de la cha­leur — une étape clé pour atteindre des niveaux de per­for­mance encore plus éle­vés. Jusqu’à pré­sent, les expé­riences de fusion pro­dui­saient des réac­tions de fusion en uti­li­sant d’énormes quan­ti­tés de cha­leur externe pour chauf­fer le plasma.

Si le NIF n’a pas encore atteint l’ignition, les cher­cheurs ont réus­si à pro­duire 1,35 MJ d’énergie en uti­li­sant 1,9 MJ d’énergie laser, soit un Q (E_fusion/E_laser) de 0,7, l’ignition étant défi­nie comme un Q de 1. On est donc proche du but de ce tra­vail effec­tué depuis une dou­zaine d’années.

On entend sou­vent dire que la fusion nucléaire ne sera tou­jours pas pra­ti­cable d’ici 30 ans, mais les nou­velles per­cées réa­li­sées dans ce domaine sug­gèrent que — tôt ou tard — les scien­ti­fiques tra­vaillant sur la fusion auront le der­nier mot.