En août 2022, lorsque l'équipe de scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Lab (LLNL) a tiré un coup de feu qui a atteint un rendement de 1,35 mégajoules (MJ) d'énergie de fusion avec 1,9 MJ d'énergie laser, il s'agissait d'une percée scientifique tant attendue-signalant une brûlure de fusion.
Plus tard la même année, lors d'une autre expérience de fusion inertielle (alias fusion laser-), les scientifiques ont obtenu un rendement de 3,15 MJ d'énergie de fusion avec 2,05 MJ d'énergie laser et ont atteint l'allumage. Il s'agissait d'une réaction de fusion thermonucléaire créée au sein du laboratoire-et elle a lancé une course mondiale visant à mettre sur le réseau l'énergie de fusion-sans carbone-propulsée par laser-sur le réseau d'ici les années 2030 ou 2040.
"Ce fut un tournant lorsque le NIF a montré pour la première fois que la fusion inertielle était possible, et que la clé est d'avoir le bon type de combustible -deutérium-tritium-et d'utiliser des lasers pour le comprimer et le fusionner afin de générer un gain (plus d'énergie produite que mise)", explique Arianna Gleason, scientifique et directrice adjointe de la division scientifique de haute densité énergétique du SLAC. "C'est comme entretenir le carburant d'une étoile-juste pendant une fraction de seconde dans un laboratoire."
En août 2022, lorsque l'équipe de scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Lab (LLNL) a tiré un coup de feu qui a atteint un rendement de 1,35 mégajoules (MJ) d'énergie de fusion avec 1,9 MJ d'énergie laser, il s'agissait d'une percée scientifique tant attendue-signalant une brûlure de fusion.
Plus tard la même année, lors d'une autre expérience de fusion inertielle (alias fusion laser-), les scientifiques ont obtenu un rendement de 3,15 MJ d'énergie de fusion avec 2,05 MJ d'énergie laser et ont atteint l'allumage. Il s'agissait d'une réaction de fusion thermonucléaire créée au sein du laboratoire-et elle a lancé une course mondiale visant à mettre sur le réseau l'énergie de fusion-sans carbone-propulsée par laser-sur le réseau d'ici les années 2030 ou 2040.
"Ce fut un tournant lorsque le NIF a montré pour la première fois que la fusion inertielle était possible, et que la clé est d'avoir le bon type de combustible -deutérium-tritium-et d'utiliser des lasers pour le comprimer et le fusionner afin de générer un gain (plus d'énergie produite que mise)", explique Arianna Gleason, scientifique et directrice adjointe de la division scientifique de haute densité énergétique du SLAC. "C'est comme entretenir le carburant d'une étoile-juste pendant une fraction de seconde dans un laboratoire."
L'architecture laser progresse pour la fusion
NIF a été construit dans les années 1990 et intègre la technologie laser de l’époque. "Nous construisons des lasers beaucoup plus efficacement aujourd'hui que dans les années 1990. Notre technologie a progressé à un point tel que nous pouvons avoir des lasers très efficaces aux taux de répétition dont nous avons besoin pour la fusion -de nombreux tirs par seconde", explique Glenzer. "Il est intéressant de noter que les micropuces à l'intérieur des iPhones sont produites avec une technologie laser issue du programme de fusion laser. Ce fut le premier succès commercial de la fusion laser."
Au sein de la communauté de la fusion, la technologie laser s'éloigne lentement des anciennes architectures qui fonctionnaient dans le passé.-Les lasers à lampe flash-pompés ou basés sur une lampe flash-étaient "des bêtes de somme très puissantes", explique Gleason. "Mais nous en avons besoin de plus efficaces, c'est pourquoi nous utilisons des lasers à semi-conducteurs pompés par diode--(DPSSL)."
Cela signifie que la chaîne d'approvisionnement pour les lasers DPSSL doit être renforcée, car tout le monde s'oriente vers la plate-forme laser standard IFE pour les tests requis. "Les lasers couplés à des fibres sont une méthode pour déplacer la lumière d'un endroit à un autre, utilisée partout par les télécommunications, mais alors que la communauté de la fusion tente de tirer parti de la génération actuelle d'architectures laser et que nous construisons des lasers plus gros, nous devons être plus attentifs à la façon dont les choses sont refroidies. C'est un espace d'innovation pour les entreprises", déclare Gleason.
Les lasers Excimer utilisent du gaz comme moyen et "ont une solide histoire avec le ministère de la Défense (DoD) pour les armes à énergie dirigée-", explique Gleason. "C'est aussi la base d'un concept de fusion. De grands progrès sont réalisés avec les lasers excimer, qui reposent sur des décennies de physique et d'études. Nous progressons pour avoir un laser aussi puissant-peut-être avec un encombrement plus réduit ou avec une meilleure efficacité. Comment refroidir une structure laser aussi grande ? Ce sont des endroits où les entreprises privées peuvent développer leur propre sauce secrète. "
Hubs de fusion STARFIRE et RISE
Le centre de fusion STARFIRE est dirigé par LLNL, avec le SLAC, pour commercialiser l'énergie de fusion laser-. Son objectif est la conception de cibles à gain élevé, la fabrication de cibles et les DPSSL. Les membres comprennent le MIT ; Université de Californie, Berkeley ; Université de Californie, Los Angeles ; Université de Californie, San Diego ; Université d'Oklahoma ; Université de Rochester ; Texas A&M ; Institut Fraunhofer de technologie laser ; Fondation Livermore Lab ; Laboratoire national d'Oak Ridge ; Laboratoire national de Savannah River ; Énergie ciblée Inc. ; Atomique générale ; Leonardo Electronics États-Unis ; Systèmes d'énergie de fusion Longview Inc. ; TRUMPF; et Xcimer Energy Corp.
L'équipe a accès aux laboratoires laser du SLAC, ce qui lui permet d'utiliser la source de lumière cohérente Linac (LCLS), le seul laser à électrons libres à rayons X-à rayons X{{1} (XFEL) aux États-Unis, pour sonder et interroger les matériaux des capsules ou le combustible de fusion. Il fonctionne à 120 Hz, mais fonctionnera bientôt en mégahertz.
"Nous utilisons deux lasers à la fois dans nos expériences au SLAC. Un laser à impulsion longue- envoie des ondes de choc dans l'échantillon, puis nous le sondons avec le LCLS pour voir ce qui se passe à la plus petite échelle de longueur et de temps afin d'améliorer nos modèles physiques", explique Gleason. "Nous devons comparer des pommes avec des pommes pour déterminer si notre modèle physique est correct. Il soutient non seulement ce dont les laboratoires nationaux ont besoin, mais donne également aux entreprises privées un moyen de prédire si une partie de leur concept fonctionnera ou non (par exemple, comment elles simulent l'engagement de leur cible). Et nous leur fournissons ces données critiques en tirant parti de notre accès à différentes plates-formes laser et instruments. "
Un autre pôle, RISE, est dirigé par le SLAC et l'Université d'État du Colorado et implique des experts de l'Université Cornell, de l'Université de l'Illinois, du Texas A&M, du Los Alamos National Laboratory, du Naval Research Laboratory et de sociétés privées-Xcimer Energy Corp., Blue Laser Fusion, Marvel Fusion et General Atomics-travaillant sur différentes approches d'un pilote laser.
"Tous ont une approche crédible", déclare Glenzer. "Mais ce n'est pas comme si une seule entreprise essayait de tout réaliser.-il s'agit d'une communauté et d'un centre de fusion à l'échelle nationale. Les chercheurs tentent de faire progresser les technologies et nous apprenons les uns des autres pour tenter de combler les écarts en matière de recherche et de technologie d'ici les années 2030."
Les investisseurs demandent fréquemment à Glenzer quelle société de fusion soutenir. "Certaines sociétés de laser peuvent gagner de l'argent beaucoup plus tôt en fournissant des lasers pour abattre des drones dans l'espace de défense", dit-il. "Mais les investisseurs n'aiment pas vraiment l'idée parce qu'ils veulent un marché qui ne sert que la fusion et l'électricité. Ils veulent en fait que ces entreprises fassent de la fusion afin de pouvoir vendre de l'électricité. Il est vraiment intéressant de voir à quel point elles se concentrent sur la réalisation de la fusion."
La communauté de la fusion est "très consciente des exigences de la chaîne d'approvisionnement pour que les entreprises de fusion disposent des ressources nécessaires non seulement pour élaborer leurs plans pilotes de démonstration, mais aussi pour disposer d'un parc de réacteurs à long terme-", explique Gleason. "Il s'agit d'une approche à plusieurs volets en termes d'endroits où nous pouvons nous procurer les matières premières, puis fabriquer les composants à travers les États-Unis, pour mettre en place une chaîne d'approvisionnement nationale. C'est la clé."
Années 2030 ou années 2040 pour une usine pilote de fusion ?
Les partenariats et le financement public-privé sont cruciaux pour être sur le point de mettre la fusion laser-sur le réseau dans les années 2030.
"Notre rôle est principalement de soutenir et de réduire les risques liés à la technologie critique dont l'industrie de la fusion et les entreprises privées ont besoin", explique Gleason. "Mais certaines entreprises disent qu'elles s'attendent à ce que cela se produise dans les années 2030."
Le ministère américain de l’Énergie s’est fixé un objectif pour les années 2030. "Cela signifie que nous voulons combler toutes les lacunes technologiques et de recherche, certaines d'ici le milieu des années 2030, puis construire une usine pilote", explique Glenzer. "Cela dépend vraiment du montant investi, mais il est réaliste de s'attendre à une usine pilote à la fin des années 2030 ou au début des années 2040."
