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L’installation de fusion laser retourne à la planche à dessin


À l’intérieur de la chambre cible du National Ignition Facility des États-Unis, les scientifiques concentrent 192 faisceaux laser sur une capsule d’or contenant du deutérium et du tritium, dans le but de réaliser la fusion nucléaire.Crédit : Lawrence Livermore National Laboratory/Science Photo Library

Il y a près d’un an, les scientifiques de la plus grande installation de fusion laser au monde ont annoncé une réalisation historique : elle avait battu tous les records et produit, ne serait-ce que pendant une fraction de seconde, une réaction de fusion énergétique du type de celle qui alimente les étoiles et les armes thermonucléaires. Pourtant, les efforts pour reproduire cette expérience ont échoué. La nature a appris que, plus tôt cette année, les chercheurs de l’installation californienne ont changé de direction et ont décidé de repenser leur conception expérimentale.

La tournure des événements a ravivé le débat sur l’avenir de la National Ignition Facility (NIF), un dispositif de 3,5 milliards de dollars américains hébergé au Lawrence Livermore National Laboratory et supervisé par la National Nuclear Security Administration (NNSA), une branche des États-Unis. Département de l’énergie qui gère les armes nucléaires. La mission principale du NIF est de créer des réactions de fusion à haut rendement et d’informer la maintenance du stock d’armes américain.

Selon certaines mesures, le tir laser record du 8 août 2021 a prouvé que l’installation, qui a coûté beaucoup plus cher et produit beaucoup moins que prévu à l’origine, a enfin accompli sa mission principale. Les tentatives répétées n’ont cependant produit au mieux que 50 % de l’énergie produite à la fin de l’année dernière. Les chercheurs ne s’attendaient pas à une navigation fluide en essayant de reproduire l’expérience, car l’énorme appareil fonctionne maintenant à l’aube de «l’allumage» de la fusion, où de minuscules différences involontaires d’une expérience à l’autre peuvent avoir d’énormes impacts sur la sortie. Néanmoins, pour beaucoup, l’incapacité à reproduire l’expérience d’août dernier souligne l’incapacité des chercheurs à comprendre, concevoir et prédire avec précision des expériences à ces énergies.

La route vers l'allumage : diagramme à barres montrant les réactions de fusion réalisées par le National Ignition Facility depuis 2012.

Source : Laboratoire national Lawrence Livermore

Omar Hurricane, scientifique en chef du programme de fusion par confinement inertiel de Livermore, a préconisé d’aller de l’avant avec la conception expérimentale existante pour sonder ce régime énergétique, plutôt que de reculer pour se regrouper. “Le fait que nous l’ayons fait est une sorte de preuve d’existence que nous pouvons le faire”, dit-il. “Notre problème est de le faire de manière répétée et fiable.” Cependant, dit-il, la direction du programme a pris la décision d’arrêter les expériences de réplication et de se concentrer sur les prochaines étapes qui pourraient pousser le NIF bien au-delà du seuil de fusion et dans un régime entièrement nouveau – et plus prévisible – où les rendements sont nettement plus élevés que dans l’expérience d’août.

Certains chercheurs de la communauté s’interrogeaient depuis longtemps sur l’utilité du FNI, et pour eux, tout l’épisode met en lumière les réalisations remarquables de l’installation, ainsi que ses limites fondamentales. “Je pense qu’ils devraient appeler cela un succès et arrêter”, déclare Stephen Bodner, un physicien qui dirigeait auparavant le programme de fusion laser au US Naval Research Laboratory à Washington DC. Bodner dit que le NIF est une impasse technologique et qu’il est temps de se préparer à un laser de nouvelle génération qui pourrait ouvrir la porte à l’énergie de fusion.

Chassant l’allumage

Le NIF a ouvert ses portes en 2009 avec la promesse de réaliser l’allumage par fusion, que l’Académie nationale des sciences (NAS) des États-Unis a défini comme une expérience qui génère plus d’énergie qu’elle n’en consomme. Après avoir manqué la date limite initiale d’obtention de l’allumage en 2012, les scientifiques de Livermore ont entamé un effort d’une décennie pour affiner le système (voir «La route vers l’allumage»). Enfin, en août dernier, après une série d’ajustements sur certains aspects de l’installation, notamment le laser et la cible d’allumage – une capsule en or contenant une pastille congelée des isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium -, ils ont eu leur moment décisif.

En moins de 4 milliardièmes de seconde, 192 faisceaux laser ont délivré 1,9 mégajoules d’énergie à la cible. Lorsque la capsule s’est effondrée, les isotopes d’hydrogène au cœur de la pastille ont commencé à fusionner en hélium, libérant un torrent d’énergie et créant une cascade de réactions qui ont finalement libéré plus de 1,3 mégajoules d’énergie – environ 8 fois le record précédent et un 1 000- amélioration de pli sur les premières expériences.

Bien qu’il ne réponde pas à la définition NAS de l’allumage, le tir a entraîné une réaction de fusion à haut rendement qui s’est qualifiée en toute sécurité d’allumage selon les critères utilisés par les scientifiques du NIF. Hurricane appelle cela un “moment des frères Wright”, et même les critiques les plus sévères du NIF, y compris Bodner, ont tiré leur chapeau.

En septembre, les responsables du programme de fusion par confinement inertiel ont élaboré un plan pour trois expériences afin de déterminer si le résultat d’août pouvait être répété. Les expériences ont commencé en octobre et n’ont produit que 400 à 700 kilojoules d’énergie. Bien que ces résultats représentent toujours un changement radical dans le fonctionnement du NIF, ils ne se sont pas approchés de la percée d’août – ils n’ont pas non plus dépassé ce que les scientifiques du NIF décrivent comme le seuil d’allumage.

Selon Hurricane, l’analyse de ces expériences par l’équipe indique que des incohérences dans la fabrication de la cible et des changements inévitables dans les performances du laser en raison de son âge ont produit des différences minimes, mais importantes, dans la forme de l’implosion. “Nous comprenons pourquoi les tirs répétés ont fonctionné comme ils l’ont fait”, dit-il, “mais nous essayons toujours de déterminer exactement ce que nous devons contrôler au sujet de ces aspects techniques.”

À la lumière de ces résultats, Hurricane a préconisé des expériences répétées supplémentaires qui pourraient être utilisées pour mieux comprendre la variabilité d’un coup à l’autre. Cependant, les responsables du programme ont choisi de passer à autre chose et Hurricane indique que l’équipe cherche maintenant des moyens d’augmenter l’énergie laser de plus de 10 %, ainsi que de modifier les cibles qui pourraient utiliser plus efficacement cette énergie.

Mark Herrmann, directeur adjoint de Livermore pour la physique fondamentale des armes, a déclaré que le laboratoire avait reçu de nombreux commentaires de la part de plus de 100 scientifiques impliqués dans le programme. Mais il souligne que l’objectif à long terme est d’atteindre des rendements supérieurs de deux ordres de grandeur à ceux gérés en août dernier. “Tant que nous faisons une bonne étude scientifique, minutieuse et systématique, c’est ce qui est le plus important de mon point de vue”, ajoute-t-il.

Un rapport critique

Dans une certaine mesure, l’échec du laboratoire à reproduire l’expérience d’août était à prévoir, car le laser fonctionne maintenant sur la “falaise d’allumage”, explique Riccardo Betti, qui dirige le centre de fusion laser de l’Université de Rochester à New York et fournit des évaluations indépendantes des expériences au NIF. “Si vous êtes d’un côté de la falaise, vous pouvez obtenir beaucoup de production de fusion, et si vous êtes de l’autre côté de la falaise, vous obtenez très peu”, dit-il. Le laboratoire n’a pas encore la précision expérimentale pour prédire de quel côté une expérience donnée atterrira, dit-il.

Les questions sur la science fondamentale et la capacité prédictive étaient au centre d’un examen classifié des contributions scientifiques du NIF au programme américain d’armes nucléaires fourni à la NNSA l’année dernière par JASON, un groupe scientifique indépendant qui conseille le gouvernement américain. Dans un résumé non classifié du rapport, obtenu par La nature en vertu de la loi américaine sur la liberté de l’information, le panel a reconnu les capacités du NIF, mais a déclaré qu’il était peu probable que l’installation parvienne à un «allumage prévisible et reproductible» au cours des prochaines années.

Le rapport a été achevé et remis à la NNSA quatre mois avant le coup de feu d’août, et Hurricane et d’autres ont fait valoir qu’il était inopportun et trop pessimiste.

Les panélistes JASON ont préconisé une refonte fondamentale du programme dans leur rapport, et cette discussion a déjà commencé dans la communauté plus large de la fusion laser. Les scientifiques du NIF et d’ailleurs étudient les moyens de reconfigurer le laser actuel, tandis que d’autres font pression pour des conceptions entièrement nouvelles qui pourraient fournir des voies plus pratiques vers l’énergie de fusion.

De son côté, Hurricane n’est pas pressé. Il soutient que l’appareil fonctionne maintenant dans un régime de fusion crucial qui sera utile pour comprendre et prédire la fiabilité des armes nucléaires.

“Une fois que nous obtenons plus d’énergie et plus de prévisibilité, vous avez en quelque sorte ignoré la physique intéressante”, déclare Hurricane. “Si comprendre et être de meilleurs scientifiques et intendants [of the nuclear stockpile] est votre objectif, c’est le régime dans lequel travailler.

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