ÉNERGIE

Laser et fusion, l’alliance parfaite?

Observation de l’état de surface des réseaux de diffraction dans l’enceinte mécanique de PETAL où ils sont conditionnés sous vide. © Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Observation de l’état de surface des réseaux de diffraction dans l’enceinte mécanique de PETAL où ils sont conditionnés sous vide.
© Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Module pré-amplificateur (MPA) intégrant les deux étages d’amplification paramétrique à large bande spectrale. Dans la première phase du projet PETAL, le MPA est utilisé comme source à la démonstration de la compression d’impulsion. © Agence Free Lens Philippe Labeguerie
Module pré-amplificateur (MPA) intégrant les deux étages d’amplification paramétrique à large bande spectrale. Dans la première phase du projet PETAL, le MPA est utilisé comme source à la démonstration de la compression d’impulsion.
© Agence Free Lens Philippe Labeguerie

L’accès à une énergie propre et inépuisable n’est plus une chimère. Voilà l’affirmation relayée par les partisans de la fusion qui se réjouissent de voir apparaître sur le devant de la scène scientifique l’ambitieux projet HiPER – High Power laser Energy Research facility. Alternative à la voie magnétique prônée par son cousin ITER(1), la fusion par confinement inertiel développée au sein de HiPER serait tout aussi convaincante. La route est encore longue mais les récents résultats expérimentaux invitent à l’optimisme.

Des ressources inépuisables, peu de déchets, un faible impact environnemental, une sécurité à toute épreuve et une compatibilité avec les réseaux électriques existants. Les bénéfices de la fusion sont tels que l’Humanité ne serait plus en mesure de s’en passer. Le procédé est connu depuis les années ‘50: contraindre à la rencontre des noyaux de deutérium et de tritium, avec, à la sortie, de l’hélium, des neutrons, et une énorme quantité d’énergie. Simple sur le papier mais compliqué à mettre en oeuvre, puisque cette réaction est déclenchée sous des conditions de densité et de température extrêmes.

Les études théoriques et expérimentales s’accordent sur deux pistes. D’une part, le schéma d’un tore dans lequel un plasma chaud est confiné par champ magnétique – c’est la voie d’ITER. D’autre part, le confinement inertiel, aussi appelé fusion laser, qui consiste à faire imploser, au moyen de rayons laser très puissants, des pastilles de fuel préalablement comprimées. C’est cette seconde voie qui a été choisie par les concepteurs de HiPER.

Haute valeur ajoutée

«Nous nous réjouissons que, depuis 2006, HiPER fasse partie des installations scientifiques soutenues par l’ESFRIEuropean strategy forum on research infrastuctures», déclare Mike Dunne, coordinateur général du projet. «Actuellement, HiPER est dans sa phase préparatoire, financé à hauteur de 3 millions d’euros par le volet «Infrastructures» du 7ème programmecadre (PC7) et de plusieurs fois ce montant par les agences nationales. La phase de démonstration technologique commencera dès 2011 pour se conclure, fin de la prochaine décennie, par la construction proprement dite, dont le budget devrait avoisiner le milliard d’euros.»

Ces investissements colossaux sont motivés aussi bien par la complexité des innovations technologiques que par les applications qui découleront de leur maîtrise. «Les cinquante années d’expériences qui nous précèdent ont démontré qu’une fusion auto-entretenue requiert une température proche des 50 millions de degrés et une densité d’au moins 1 kg/cm3, soit 50 fois celle de l’or», précise Mike Dunne. «De plus, il s’agit d’une technologie à haute répétition, puisqu’il faut aligner les impulsions laser de l’ordre de la nanoseconde avec des pastilles d’un millimètre de diamètre, et ce, 5 fois par seconde.» Pour atteindre l’objectif d’une fusion contrôlée, les scientifiques explorent donc des domaines de la physique encore mal connus, avec, à la clé, de futures applications.

«Et la liste sera longue!», assure Mike Dunne. «La maîtrise de la répétition à taux élevé couplée à la technologie laser haute énergie couvre des activités aussi diverses que la production de radio-isotopes, l’oncologie ou même la prochaine génération de sources lumineuses. D’un point de vue plus fondamental, on peut s’attendre à des avancées importantes en science extrême des matériaux, en physique nucléaire, ainsi qu’en physique des plasmas.»

Main dans la main

Pour gagner ce pari technologique, de nombreuses étapes restent encore à franchir. Chaque difficulté du procédé HiPER fait l’objet d’études préliminaires. Parmi celles-ci, le projet PETALPetawatt Aquitaine laser – financé au niveau européen (FEDER), national (France) et régional (Aquitaine), dont le rôle principal consiste à mettre au point l’architecture laser-cible adéquate pour déclencher les réactions de fusion. La phase validation des principaux verrous technologiques – c’est-à-dire le franchissement des obstacles expérimentaux via des technologies innovantes – vient de se conclure avec succès et la construction de l’instrument est en cours.

«Les coordinateurs des projets ont décidé, en 2006, de joindre PETAL à HiPER sur la feuille de route de l’ESFRI», explique Christine Labaune, directrice de recherche au Centre national de recherche scientifique (CNRS) français et membre du comité scientifique des deux programmes. «Sur un plan scientifique et technologique, PETAL joue le rôle de première phase de HiPER. Depuis son lancement, un comité scientifique international coordonne la préparation des expériences qui permettront de valider les domaines de la physique qui serviront la réussite de HiPER. En outre, PETAL sera une plateforme éducative qui donnera aux scientifiques l’opportunité d’acquérir le savoirfaire nécessaire à la manipulation de lasers de grandes dimensions. C’est aussi l’occasion pour tous de collaborer sur un programme qui place l’Europe sur un plan compétitif par rapport à nos cousins américains et asiatiques.» Il faut toutefois reconnaître que, alors que PETAL est programmé pour 2011, les installations Omega EP aux États-Unis et FIREX au Japon sont, elles, déjà opérationnelles.

Une technicité de haut vol

Il y a encore quelques années, les scientifiques pensaient pouvoir atteindre la fusion en utilisant des faisceaux nanoseconde pour comprimer la cible de deutérium-tritium jusqu’à obtenir un point chaud. Mais une trop grande instabilité invalidait ce schéma. Les équipes de PETAL et HiPER ont donc décidé de suivre une autre voie, comme l’explique Christine Labaune. «Séparer la phase de compression de la phase de chauffage nous semble indispensable. C’est ce que l’on nomme l’allumage rapide. Le principe est d’utiliser des faisceaux petawatt(2) en impulsion courte comme allumette, après avoir comprimé la cible au moyen d’autres faisceaux nanosecondes. Le système devrait être plus fiable, avec un gain énergétique supérieur à 1, pouvant même s’élever à 10 ou 100.»

«L’objectif visé par PETAL», poursuit Christine Labaune, «est de démontrer notre aptitude à conceptualiser les technologies qui généreront les impulsions courtes et énergétiques nécessaires pour l’allumage. Concrètement, une chaîne laser de grande énergie se présente en trois parties. Un oscillateur-préamplificateur génère une petite impulsion de faible diamètre. Elle traverse alors une série de plaques de verre dopé au néodyme et pompé par lampe flash, ce qui va entraîner l’émission de photons. Ces derniers sont récupérés par l’impulsion de départ qui est donc peu à peu amplifiée. Simultanément, le diamètre de l’impulsion est élargi, de manière à garder une densité énergétique raisonnable pour préserver l’instrumentation optique. L’impulsion d’une fraction de picoseconde(3) à l’entrée est donc étirée pendant tout le parcours, puis comprimée à nouveau par une suite de réseaux, juste avant la sortie. Grâce à ce procédé, une impulsion initiale de quelques milli-joules atteint in fine près de 3 500 joules, tout en restant courte. Cela fera de PETAL l’installation laser de rapport puissance-énergie le plus élevé au monde.»

Conscientiser les investisseurs

Au vu des sommes investies, PETAL et HiPER seront donc l’occasion de déployer un grand programme de recherche fondamentale pour comprendre la matière dans ses états extrêmes. Il n’en reste pas moins que l’objectif premier de ces installations est la production contrôlée d’énergie par fusion. Si l’on sait que le lithium (source de tritium) contenu dans une batterie d’ordinateur portable couplée au deutérium présent dans une demi-baignoire d’eau suffirait à couvrir les besoins électriques du Royaume-Uni pendant 30 ans, on peut s’étonner de la frilosité du secteur privé à investir massivement dans ces projets.

«Effectivement, c’est regrettable», confirme Christine Labaune. «La seule énergie à long terme qui restera inépuisable est d’origine nucléaire. La fission produisant de nombreux problèmes liés aux déchets, à la sécurité, et à la limitation du combustible, la seule solution pour l’Humanité reste la fusion. Nous maintenons que les lasers sont d’excellents candidats pour la reproduire sur Terre. Dès lors, il s’agit de recherche appliquée. Il est donc souhaitable que des institutions privées s’intéressent au problème. Il nous faut trouver quels sont les industriels qui demain, produiront nos centrales et en tireront les bénéfices. Qu’ils investissent aujourd’hui dans les recherches permettra à l’Europe de garder son indépendance énergétique. Si notre communauté scientifique ne dispose pas de moyens suffisants pour rester à la pointe, nous deviendrons complètement dépendants des pays qui, eux, auront maîtrisé le fonctionnement de cette technologie.»

Marie-Françoise Lefèvre

  1. ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor, voir «Quand ITER sort de terre», research*eu n°61, juillet 2009.
  2. Peta = 1015
  3. Pico = 10-12

Haut de page

En savoir plus