Le laser mégajoule et l’avenir de la fusion par laser

Laser Mégajoule : vue aérienne du chantier - Août 2009

Crédit : D.Fosse/G2I Vertigo/CEA Date : 15/08/2009 Lieu : CEA Cesta

Après dix-huit années de planification et de patients travaux, Mégajoule a été inauguré le 23 octobre dernier et a effectué ses premiers tirs. Il devient ainsi le deuxième laser à grande capacité énergétique à entrer en opération dans le monde, cinq ans après celui de la National Ignition Facility, au Laboratoire national de Lawrence Livermore aux Etats-Unis.

Mégajoule est composé de 176 faisceaux, capables de livrer 1,8 mégajoule d’énergie en quelques milliardièmes de seconde, sur une cible mesurant quelques millimètres de diamètre. C’est une installation formidable, une machine de l’extrême pouvant comprimer une bille de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène, jusqu’à une densité quarante fois supérieure à celle de l’acier (300 g/cm3), à une température de quelque 150 millions de degrés. Tout cela pour un temps très court, de l’ordre de 25 millièmes de milliardième de seconde !!!

Mégajoule possède donc les caractéristiques qui lui permettront d’atteindre les niveaux d’énergie et de puissance nécessaires pour franchir le seuil de l’ignition, mais à des fins militaires, car l’installation a été entièrement conçue pour le Programme simulation devant remplacer les tests nucléaires arrêtés en 1996 par le président Jacques Chirac. Sur les 200 tirs qu’effectuera Mégajoule chaque année après sa période de rodage, 40 seront consacrés à la recherche civile, dans le cadre d’un programme d’ouverture décidé bien des années après la conception du projet : pour des expériences en astrophysique et en médecine, ainsi que dans le domaine de la fusion nucléaire.

Fusion laser : l’approche indirecte

Contrairement à l’approche directe, celle-ci fait appel à un cylindre en or percé aux deux bouts, par lesquels entrent les rayons lasers, générant un bain de rayons X qui s’attaqueront ensuite à la cible placée au centre du cylindre.

Crédit : str.llnl.gov

Les efforts pour arriver à l’ignition seront orientés, comme c’est déjà le cas pour la NIF, sur ce que les scientifiques appellent l’approche indirecte, une approche héritée des travaux à caractère militaire et qui consiste à placer la bille de combustible dans un petit cylindre percé aux deux bouts (appelé hohlraum), convertissant l’énergie du laser en un bain de rayons X qui s’attaqueront ensuite à la cible. Les scientifiques qui travaillent sur cette approche espèrent que la perte d’énergie lors de la conversion de la lumière laser en rayons X sera compensée par une meilleure symétrie lors de la compression. Mais les déchets associés au cylindre viennent souvent polluer le plasma et leur compliquer la tâche. Ceci explique aussi pourquoi les lasers sont concentrés aux deux pôles de la chambre d’expérience, une sphère de 10 m de diamètre en centre de laquelle on place les cibles, puisqu’il faut faire pénétrer la lumière laser dans le holraum par ses deux extrémités.

Mégajoule devait au départ être composé de 240 faisceaux répartis en trois cônes, mais leur nombre a été ramené, pour des raisons budgétaires, à 176, regroupés en deux cônes aux deux pôles de la sphère. Tout comme la NIF, il dispose d’une géométrie variable qui lui permet de réorienter une partie de ses faisceaux vers la zone équatoriale de la sphère, mais cela demande plusieurs mois puisque l’alignement d’un dispositif composé de 10 000 pièces d’optique sensibles est une opération compliquée. Aucune campagne reposant sur l’approche directe, la seule qui soit accessible aux chercheurs civils et qui implique la compression de la cible directement avec les faisceaux laser, sans faire appel à un holraum, n’a encore été conduite au NIF depuis son entrée en service.

Un laser multipetawatt, Pétal, financé sur des fonds académiques sous la responsabilité de la région Aquitaine, est en cours d’installation pour accompagner l’ouverture du laser Mégajoule à la communauté scientifique. Il permettra de produire des conditions uniques en laboratoire. Il est à regretter cependant que son déménagement vers le Mégajoule ait retardé considérablement sa mise en route alors qu’il mobilise l’essentiel du financement de la recherche dans ce domaine.

Des avancées révolutionnaires dans les lasers

Certains critiques de la recherche sur la fusion par confinement inertiel affirment que celle-ci ne conduira jamais au développement commercial de la fusion, parce que des grands lasers comme Mégajoule ont une faible efficacité dans la conversion de la lumière de pompage en lumière laser, et exigent un temps très long entre deux tirs (un jour environ). Cela est vrai, mais le véritable enjeu est pour l’instant d’arriver à l’ignition et Mégajoule peut apporter une contribution, même si sa faible disponibilité ne permettra pas de conduire les recherches à un rythme aussi soutenu qu’il faudrait.

Le paradoxe est que depuis la conception de Mégajoule dans les années 1990, des progrès spectaculaires ont été accomplis dans le domaine des laser. La conséquence est que nous serons en mesure, à plus ou moins brève échéance, de construire des lasers d’énergie et de puissance similaire à Mégajoule, mais à un coût bien moindre et dans une installation beaucoup plus petite et facile à opérer. Ils pourront également tirer plusieurs dizaines de fois par seconde, un rythme nécessaire pour la mise au point d’un réacteur commercial.

Pour introduire les avancées révolutionnaires accomplies dans les lasers depuis les années 2000, il est utile de comparer le fonctionnement d’un laser aux béliers utilisés au moyen âge pour attaquer une forteresse. Plutôt que de disperser l’énergie de 30 hommes munis d’un pieux autour de la forteresse, le fait de les réunir sur un seul bélier, dans un mouvement en cadence et en un seul point, permet d’accomplir un travail beaucoup plus efficace.

Un laser est tout simplement, selon cette analogie, un appareil permettant de convertir l’énergie dispersée de plusieurs colonnes de photons (appelées par les scientifique lumière de pompe) en un seul faisceau unidirectionnel et cadencé. Après avoir trié et converti les photons, ceux-ci possèdent une seule fréquence et se déplacent en cadence, formant ainsi le rayon laser. Ce processus de tri et de conversion se fait par les électrons d’atomes composant un cristal ou placés dans une plaque de verre, ainsi que par deux miroirs, dont l’un semi-transparent, que l’on place aux deux extrémités. Tout cela grâce à un principe prévu par Albert Einstein en 1917 mais maîtrisé seulement deux générations plus tard, à la fin des années 50. Voilà comment notre « bélier lumineux » acquiert la capacité de percer l’acier, de souder et d’effectuer une multitude de tâches, incluant dans la médecine.

Ainsi, 10 000 ans après avoir domestiqué les animaux, l’homme a réussi en 1960 à domestiquer les photons de la lumière visible, ces minuscules particules d’énergie ne possédant pourtant aucune masse !

Ce processus de mise en cadence fait appel à un appareillage compliqué de blocs de verre, de miroirs et de lentilles, et leur nombre s’accroît dès que nous tentons d’amplifier la lumière pour l’amener à des niveaux d’énergie et de puissance élevés, puis de la filtrer et la focaliser sur des points de très faible dimension. La conversion de la lumière blanche d’origine en un rayon laser d’une seule couleur implique d’importantes pertes, mais qui sont plus que compensées par la mise en cadence des photons. Plus on cherche à accroître la puissance, plus l’efficacité de la conversion diminue. Il faut donc compter, pour les lasers de grande puissance, un temps de refroidissement suffisant entre deux tirs (les pertes étant associées à la chaleur), et prendre le temps de vérifier que toutes les pièces d’optique sont bien enlignées.

C’est ici qu’apparaissent, au cours des années 2000, les laser à fibre (optique) possédant une puissance suffisante pour pouvoir être intégrés dans une installation comme Mégajoule. L’avantage est que toute la chaîne amplificatrice, incluant les miroirs, peut être intégrée dans une seule fibre, ce qu’on appelle le « tout fibre », avec un taux d’efficacité inégalé dans la conversion entre la lumière de pompe et le rayon laser. On passe ainsi, pour des faisceaux de grande puissance, d’un taux de conversion de 0,1 % à 30-40 %, soit un saut de 2 ordres de grandeurs. L’on voit pourquoi une scientifique comme Christine Labaune, spécialiste de la fusion laser (par confinement inertiel) depuis plusieurs décennies, voit un intérêt très fort aux progrès apportés par les fibres.

Contrairement à un laser traditionnel, les composants du laser à fibre sous entièrement intégrés dans la fibre elle-même, permettant une bien meilleure efficacité dans la conversion de la lumière de pompage (elle même issue d’un laser à diode avec une bande de fréquences plus étroite pour éliminer les pertes) en lumière laser. Le processus d’amplification se fait ainsi tout au long de la fibre (entre les deux miroirs), sans qu’il n’y ait besoin de se soucier du bon alignement des composants.

Crédit : solidariteetprogres.org

En plus, grâce au « tout fibre », on peut les fabriquer en série tout en éliminant les minutieuses opérations d’alignement : ainsi les coûts de fabrication, d’opération et d’entretien sont très fortement réduits. Bien sûr, il reste à apprendre comment coupler des millions de fibres pour qu’elles soient en phase, mais les technologies numériques développées dans l’astronomie pour la mise au point, à partir de nombreux petits miroirs, de télescopes de grande taille ou à large champ de vision (comme les télescopes à « œil de mouche » pour la traque des astéroïdes), nous montrent déjà le chemin.

Ces lasers à fibre de grande puissance seront utiles non seulement pour la fusion par confinement inertiel, mais aussi pour d’autres approches comme celle consistant à générer des faisceaux de protons de haute énergie (se déplaçant presque à la vitesse de la lumière) que l’on fait fusionner avec un plasma d’atomes de bore. Ici aussi, la capacité d’effectuer plusieurs tirs par seconde s’avérera cruciale pour une exploitation commerciale.

Ainsi, outre les efforts justifiés que nous consacrons à ITER (le réacteur de recherche par confinement magnétique en construction par la communauté internationale à Cadarache), il est clair que la fusion par confinement inertiel a elle aussi son mot à dire, et qu’il faudrait intensifier les efforts dans ce domaine également.

Quoi qu’il en soit, dans la fusion comme dans bien d’autres domaines situés à la frontière du savoir, il faut se mettre en mouvement pour obtenir de bonnes surprises. Même lorsqu’un horizon semble bloqué, comme le problème des lasers dans la fusion laser ou celui des matériaux dans la fusion magnétique, c’est en multipliant les efforts et en prenant certains risques que l’on arrive à franchir les difficultés.

Si on compare les financements consacrés à la recherche sur la fusion (par exemple, un effort international comme ITER mobilise 1,4 milliards d’euros par an sur une période de vingt ans) à ce qui est englouti chaque année dans les énergies renouvelables (123 milliards d’euros à l’échelle mondiale selon le programme des Nation unies pour l’environnement, UNEP) et dans les gaz de schistes (quelque 26 milliards de dollars d’investissement par an contre des revenus de seulement 16 milliards pour les quatre plus grands producteurs américains [1]), il est clair que les investissements dans la fusion sont bien maigres par rapports aux autres formes d’énergie.

Pourtant, les bienfaits qu’elle apportera à l’ensemble de l’humanité pour les siècles, sinon le millénaire à venir, son incomparables.