Fusion proton-bore : un nouveau monde s’ouvre à nous

Le groupe de recherche de Christine Labaune.

Palaiseau, le 17 décembre 2013

L’annonce d’une découverte

Vous avez publié, vous-même et votre équipe le 13 octobre dernier, un article dans la revue scientifique Nature communications qui a fait beaucoup de bruit dans la communauté scientifique internationale, concernant la fusion nucléaire entre des protons et des noyaux de bore. Pouvez-vous nous dire pourquoi ?

La fusion de noyaux d’éléments légers est une source d’énergie essentielle pour l’avenir puisque comme le disait Jean Robieux, il y a plusieurs ordres de grandeur de plus quand on prend l’énergie dans les noyaux plutôt que dans les couches extérieures de l’atome, comme c’est le cas par exemple pour la combustion. Jean Robieux est le père de la fusion par laser, suite à une proposition qu’il avait fait parvenir en 1961 au général de Gaulle pour demander à ce qu’un effort de recherche soit entrepris dans ce domaine. Toute sa vie, jusqu’à son décès en 2012, il a milité sans relâche en faveur de la fusion, comme le montre le titre de son dernier livre, Vers l’énergie abondante sans pollution : la fusion nucléaire par laser. Donc, si on compare la combustion aux réactions nucléaires, l’avantage est nettement du côté de ces dernières.

Pour la production d’énergie nucléaire, il y a deux processus connus aujourd’hui : la fission et la fusion. La fission est déjà exploitée, quoique présentant des problèmes de sécurité et de déchets, et quant à la fusion, on sait qu’elle fonctionne puisque c’est ce qui soutient le Soleil et les étoiles. La difficulté est de réaliser des réactions de façon contrôlée avec gain d’énergie, c’est-à-dire produisant plus d’énergie dégagée par les réactions de fusion que celle investie pour les déclencher.

Il y a différentes voies étudiées, et étant donné l’importance des enjeux – la production d’énergie sous forme contrôlée, sécurisée, avec du combustible abondant, facilement exploitable et uniformément réparti sur la planète par la fusion de noyaux légers – il est essentiel de trouver un schéma permettant de les réaliser dans des centrales d’une taille accessible, afin que cette production d’énergie puisse se faire dans tous les pays.

Pour ma part, je suis convaincue que les lasers sont une piste intéressante et, avec les moyens dont nous disposons au laboratoire, j’essaie de trouver des schémas tout en étudiant la physique de l’interaction laser-plasma.

L’enceinte du LULI, à l’Ecole Polytechnique.

Le LULI dispose de « grandes » installations laser sous tutelle du CNRS, du CEA, de l’Ecole Polytechnique et de l’Université Pierre et Marie Curie. Il s’agit de lasers très intenses et très puissants, mais avec une énergie limitée en dessous du kilojoule.

Nous travaillons à comprendre la physique des mécanismes couplant les lasers au plasma pour les différents schémas d’ignition proposés tout en réfléchissant à de nouveaux schémas. C’est dans ce cadre que je me suis intéressée à la réaction proton-bore, connue depuis longtemps, mais pour laquelle les différentes approches proposées jusque là ne semblent pas permettre d’atteindre un bilan d’énergie positif.

L’exploitation de la fusion proton-bore est délicate, parce que les énergies dont on dispose aujourd’hui dans les plus grandes installations laser permettent tout juste, dans les schémas étudiés, d’atteindre l’ignition du deutérium-tritium.

Cette dernière réaction nécessite du tritium, un élément radioactif avec une durée de vie d’environ douze ans et il faut le produire car il n’existe pas à l’état naturel. Mais le plus gros problème est la production de neutrons hautement énergétiques, qui sont délicats à gérer, et ont ne sait pas encore aujourd’hui fabriquer les matériaux nécessaires pour les arrêter et ainsi récupérer leur énergie.

Une nouvelle révolution dans les lasers

Il est donc intéressant de penser à d’autres réactions de fusion. C’était déjà le cas dans les années 90, où la réaction proton-bore était étudiée d’un point de vue théorique. Ce qui a toutefois déclenché ce programme, c’est l’apparition de nouveaux lasers, en impulsions courtes et intenses, qui permettent de générer des faisceaux de particules ayant des caractéristiques extrêmement particulières. Nous avons donc choisi de créer un faisceau de protons, c’est-à-dire des noyaux d’hydrogène, par laser et de l’envoyer directement sur une cible de bore, soit à l’état solide, soit à l’état de plasma.

Les réactions de fusion proton-bore produisent des particules alpha (noyaux d’hélium) qui sont très différentes des neutrons car elles sont chargées, et par conséquent les moyens qui permettent de les arrêter et de récupérer leur énergie sont connus et plus faciles à gérer du point de vue des matériaux et des réactions nucléaires secondaires pouvant induire une radioactivité.

Cette réaction est en quelque sorte le Graal de la fusion, puisqu’elle part d’un combustible abondant, sans problème et facile à manipuler, mais elle demande, dans les schémas traditionnels, des températures très élevées pour pouvoir l’utiliser.

Cristaux de borax

Le borax, d’où est extrait le bore, est un minerai largement répandu sur Terre. Le bore est le cinquième élément du tableau périodique de Mendeleïev.

Trois schémas sont principalement étudiés : l’attaque directe, l’attaque indirecte, et plus récemment l’allumage rapide dans lequel des impulsions courtes sont utilisées en fin de compression pour chauffer une partie du cœur.

En s’éloignant de l’équilibre thermique, et grâce aux nouvelles possibilités apportées par ces lasers, nous avons décidé d’explorer le nouveau schéma décrit ci-dessus, et les résultats sont très intéressants, même si avec les énergies dont nous disposons dans ce laboratoire, nous ne sommes pas, bien entendu, dans les conditions pour concevoir un réacteur.

Nous n’en sommes qu’à la première phase – la phase scientifique – de l’étude des processus physiques qui régissent la production d’un faisceau de protons, puis son interaction avec une cible de bore pour produire les réactions de fusion.

Vous avez estimé dans votre article avoir obtenu 80 000 000 réactions de fusion proton-bore, ce qui est plusieurs ordres de grandeur plus élevé que ce qui avait été obtenu dans des tentatives antérieures. Mais nous sommes encore très loin du compte par rapport au breakeven. Quelles seraient les pistes à explorer pour améliorer les résultats obtenus ?

Nous sommes dans la phase d’exploration d’un nouveau schéma avec des moyens modestes qui ne permettront pas d’atteindre le breakeven. Néanmoins, après ces premiers résultats très encourageants en termes de nombre de réactions, il y a de nombreuses pistes possibles pour augmenter celui-ci.

L’étape suivante consiste à comprendre la physique impliquée afin d’optimiser les conditions. Dans ces premières expériences, nous avons choisi de produire un spectre d’énergie large pour les protons mais nous savons que la résonance la plus intéressante de la réaction de fusion proton-bore est à 650 keV environ. Après avoir pris en compte les processus de perte d’énergie des protons dans le plasma de bore, il est certainement possible d’optimiser le spectre des protons produits.

Cependant comme le nombre de tirs est très limité, au mieux 5 tirs par jour pour LULI 2000, sur une période de 2 ou 3 semaines par année pour une thématique de ce type, nous n’avons pas choisi d’optimiser totalement le spectre [en termes d’énergie, ndlr] des protons.

L’autre aspect est l’optimisation de la cible de bore. Doit-elle être à l’état solide ou de plasma ? Ou à quelle température se trouve le plasma, quelle est la meilleure géométrie ? Tout cela doit être optimisé en fonction de l’interaction recherchée avec le faisceau de protons. Car la question est d’optimiser le nombre de réactions de fusion par rapport aux autres types d’interaction, les collisions protons-électrons ou protons-noyaux de bore qui vont conduire à des pertes de protons.

Enfin, le nombre de protons est directement lié à l’énergie du laser qui les produit et à l’efficacité de la conversion de l’impulsion courte en faisceau de protons. Le laser du LULI que nous avons utilisé délivre 20 Joules dans une impulsion d’une picoseconde [10^-12 secondes, ndlr], et si on voulait plus de protons il faudrait augmenter l’énergie du laser, ou bien le nombre de faisceaux ayant la même énergie.

Un nouveau domaine de la physique

L’état plasma nous semble plus intéressant que l’état solide, et il nous faut mieux comprendre la propagation des protons dans le plasma de bore, ainsi que la manière dont on peut obtenir des chaînes de réactions. Car si les premiers protons peuvent provoquer la fusion avec l’émission de particules alpha, il est essentiel de choisir une composition de cible permettant à celles-ci de réagir avec un autre composant, produisant des nouveaux protons. Si les composants sont bien choisis, si les particules sont dotées d’une énergie adaptée aux résonances des réactions, nous obtenons alors des chaînes de réactions et ainsi une énergie dégagée beaucoup plus élevée.

C’est un problème sur lequel nous travaillons. Nous cherchons à obtenir des chaînes de réactions, bien qu’elles ne seront jamais divergentes, car il est beaucoup plus difficile de maintenir une chaîne de réactions de fusion qu’une chaîne de réactions de fission.

Nous croyons que c’est possible, et que cela permettra d’accroître la quantité d’énergie produite par rapport à celle que l’on doit apporter, sans toutefois rencontrer les problèmes de sécurité qui peuvent se présenter avec la fission. Une grande partie de notre travail est d’identifier des réactions secondaires possibles présentant des grandes sections efficaces en milieu plasma, et nous sommes obligés de faire des hypothèses que nous devrons entériner par des expériences.

Ainsi, non seulement sommes-nous en train d’explorer un nouveau schéma pour la production d’énergie mais nous explorons en même temps la physique des réactions nucléaires en milieu plasma, qui pourra s’appliquer à d’autres domaines, aux étoiles par exemple. La séparation des électrons des noyaux modifie les sections efficaces des réactions, et ceci intéresse les astrophysiciens et certains participent à nos travaux.

Il y a également, comme je le disais plus tôt, la question de la géométrie du plasma. Nous n’avons dans notre installation que deux faisceaux disponibles avec un angle figé, mais d’autres installations comportant plus de faisceaux permettraient d’envisager d’autres géométries totalement différentes.

Il y donc beaucoup de pistes à explorer, nous n’en sommes qu’à la première étape d’un nouveau schéma qui n’existait pas auparavant, qui n’avait jamais été proposé ni d’un point de vue théorique, ni d’un point de vue numérique, ni d’un point de vue pratique.

L’intérêt de cette idée nouvelle est de permettre d’accéder à des réactions « aneutroniques », dans lesquelles moins de 1 % de l’énergie libérée par les produits est sous forme de neutrons. Mais tant qu’on n’a pas compris toute la physique impliquée ici, il est difficile de savoir comment le schéma lui-même va évoluer, il faudra encore plusieurs années de travail.

La fabrication d’un faisceau de particules

Vous avez donc choisi de lancer des faisceaux de protons sur un plasma de bore. Mais d’où viennent les protons au juste ?

Il s’agit d’un mécanisme qui a été abondamment étudié depuis un peu plus de dix ans et que nous avons décidé de mettre à profit sans chercher à l’optimiser, sachant qu’il sera toujours possible de retravailler cet aspect des choses plus tard.

Pour la production du faisceau de protons, nous utilisons une feuille mince, sur laquelle nous focalisons le faisceau laser en impulsion courte, et les électrons rapides (avec des vitesses proches de celle de la lumière) qui sont produits sur la face avant de la feuille, la traversent pour la quitter par la face arrière en emportant avec eux les ions les plus légers qui se trouvent sur cette face.

Ce sont en général des impuretés hydrogénées, contenant de nombreux noyaux d’hydrogène (donc des protons) qui sont les premiers attirés et accélérés par le faisceau d’électrons. Nous avons essayé différents matériaux, mais après une vingtaine de tirs environ, nous avons choisi une feuille d’aluminium de 20 microns d’épaisseur.

Fabrication d’un faisceau de protons avec un laser de grande puissance

Schéma montrant la création d’un faisceau de protons à partir d’un laser à impulsions ultrabrèves ciblant une plaquette métallique. Lorsque les électrons libérés par l’action du laser sur la face avant de la plaquette sortent après l’avoir traversée par la face arrière (ici à droite), avec une vitesse proche de celle de la lumière, ils entraînent avec eux, bien qu’à une vitesse moindre, des protons provenant d’impuretés hydrogénées situées sur cette même face arrière, pour constituer un faisceau pouvant être ensuite dirigé sur un plasma de bore.

Si l’on désire optimiser la production de protons, il y a plusieurs pistes, dont les paramètres du faisceau laser : la durée de l’impulsion, son énergie, sa longueur d’onde, l’angle d’incidence par rapport à la cible, l’épaisseur de la cible, sa composition font partie des paramètres à déterminer.

Il y a donc matière à de nombreuses études, mais avec les quelques dizaines de tirs auxquels nous avons accès ici par an, nous avons cherché à nous concentrer, une fois assurée la reproductibilité du faisceau de protons, sur le plasma de bore et non pas sur l’optimisation du faisceau en tant que tel, afin de développer les diagnostics associés aux réactions de fusion elles-mêmes.

Nous avons ici une installation multi-utilisateurs, avec des caractéristiques génériques, et nos expériences s’adaptent pour l’instant à l’installation et non pas l’inverse. Nous n’en somme pas encore au rendement ni à la conception d’une centrale, mais nous cherchons à comprendre d’abord la physique impliquée dans ce nouveau schéma.

Une utilisation plus dense et ordonnée de l’énergie

Votre plasma était à une température de 5,8 million de degrés seulement, ce qui est effectivement extrêmement faible par rapport au 1,4 milliard de degrés normalement nécessaire pour les réactions proton-bore. Vous avez parlé de conditions qui sont éloignées de l’équilibre thermique, pouvez-vous nous expliquer ce que cela signifie ?

Dans les schémas les plus étudiés pour produire de l’énergie de fusion depuis les années 60 (par confinement magnétique) et 70 (par confinement inertiel), l’objectif est de créer un milieu que l’on doit chauffer à des températures de quelques centaines de millions de degrés pour atteindre l’ignition du deutérium-tritium. Cette température élevée est nécessaire car les sections efficaces des réactions augmentent très rapidement avec la température. Pour obtenir une section efficace intéressante pour le proton-bore il faut une température environ 10 fois plus élevée que celle du deutérium-tritium si on se place à l’équilibre thermique.

L’évolution des caractéristiques des lasers, en particulier l’arrivée des impulsions courtes et intenses, nous permet d’envisager des schémas nouveaux par rapport à ceux des années 70-80 pour la fusion laser. Dans notre expérience, l’idée n’est pas de chauffer l’ensemble ni même une partie de la cible pour atteindre l’équilibre où l’agitation thermique conduit à des réactions de fusion, mais d’utiliser l’énergie dirigée des faisceaux de protons pour que la section efficace soit élevée malgré une température beaucoup plus faible en utilisant les résonances de la section efficace de réaction.

C’est donc une approche anti-entropique qui a été rendue possible, pourrions-nous dire, par l’énergie extrêmement dense mais ordonnée, car ciblée dans l’espace et dans le temps, de ce nouveau type de laser et des faisceaux de particules qu’ils permettent d’engendrer.

Oui. Par contre, la difficulté de l’action des faisceaux de particules sur la matière provient de toutes les réactions autres que les réactions de fusion qui vont se retrouver en compétition avec elles, les collisions élastiques, inélastiques, et la diffusion des protons sur les électrons ou les noyaux de bore. Il faudra faire des études théoriques qui demanderont encore un certain temps pour comprendre l’importance respective des mécanismes mis en jeu. Il faut que l’on puisse faire en sorte que les réactions de fusion l’emportent sur les autres types de réactions. C’est la difficulté de ce schéma. Il y a toujours des difficultés !

Réaction proton-bore : fusion ou fission ?

Un ami me faisait remarquer que la fusion entre un proton et un noyau de bore donne naissance à trois noyaux d’hélium, ce qui semble plutôt être un cas de fission ! Pouvez-vous éclaircir ce paradoxe ?

Dans la réaction proton-bore, il se produit un noyau de béryllium, qui a une durée de vie extrêmement courte, ainsi qu’une particule alpha. Le noyau de béryllium se divise à son tour en deux autres particules alpha d’une énergie différente de la première. En fait, il y a plusieurs autres réactions possibles. Certaines donnent également, comme étape intermédiaire, du carbone 12 et un rayon gamma. Selon l’usage général, une fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un nouveau noyau atomique qui est plus lourd que les noyaux initiaux. Ce que nous venons de décrire est un peu plus complexe mais nous proposons de garder le mot « fusion » dans la mesure où les noyaux produits sont plus lourds que le noyau d’hydrogène initial et où les éléments impliqués sont tous considérés comme « légers » par opposition aux noyaux « lourds » utilisés dans la fission, comme l’uranium par exemple.

Une fois qu’on a compris quelles réactions sont susceptibles de se produire, le défi est de mesurer l’énergie des particules alpha produites pour mieux adapter les conditions de notre plasma. Cela revient à savoir comment optimiser notre chaîne et quelles réactions nous allons chercher à favoriser.

Tout cela est un nouveau domaine, la physique nucléaire induite par laser. C’est un vaste programme, très nouveau et très complexe dans lequel nous n’avons pas beaucoup de recul. Nous travaillons avec des physiciens nucléaires afin qu’ils puissent nous aider, puisque ce n’est pas le centre de nos compétences.

Nous n’en sommes qu’à la première étape, qui est la proposition d’un nouveau schéma associé à un type de réaction (proton-bore, aneutronique) qui revêt un énorme intérêt pour la production d’énergie et bien d’autres applications, plus une meilleure compréhension des phénomènes physiques se produisant dans le cosmos.

Tout cela exigerait, si on voulait aboutir à un réacteur reposant sur cette approche, que l’on mette d’abord en place une installation dédiée afin que l’on puisse effectuer toutes les études nécessaires. Il faudrait un programme plus ambitieux, et des moyens correspondant à ces ambitions.

La passion pour la fusion

Pouvez-vous nous résumer votre carrière scientifique et nous expliquer l’origine de votre passion pour la fusion ?

Je suis arrivée dans ce laboratoire il y a 38 ans, car le directeur de l’époque, Edouard Fabre, m’avait proposé un sujet intéressant, qui était celui de l’interaction laser-plasma, un domaine où tout était à faire. M. Fabre avait tout de suite cherché à voir comment ce type d’interaction pouvait s’appliquer à la production d’énergie, en l’occurrence la fusion, une approche inspirée de la proposition de Jean Robieux en 1961.

Mes premières études ont donc consisté à déterminer comment on peut optimiser les conditions dans lesquelles l’énergie de lasers puissants peut être déposée dans un plasma, de manière à ce que l’on puisse le chauffer aux températures nécessaires pour initier la fusion. L’idée était d’arriver à la fusion par laser pour l’an 2000. C’était une idée très excitante pour moi en tant que jeune chercheur avec bien entendu une application sociétale révolutionnaire.

Nous allions changer le monde, avec la production d’énergie en quantité illimitée et de manière non polluante. Cette idée, malgré les difficultés, me tient toujours à cœur, car si l’on peut faire quelque chose lors de notre petit passage sur cette Terre, c’est effectivement, en tant que scientifique, contribuer à faire progresser les connaissances et les technologies conduisant à des applications sociétales. Et trouver une nouvelle source d’énergie, c’est vraiment changer le monde !

Avec l’évolution des lasers au cours des 10 ou 15 dernières années, en partant de la découverte par Gérard Mourou de l’amplification de l’énergie par la dérive de fréquence, qui permet de produire des faisceaux laser très intenses en impulsions courtes, je reste convaincue que les scientifiques peuvent trouver la clé permettant de produire de l’énergie de cette façon là.

Mon travail est donc de trouver des schémas nouveaux et de les mettre en œuvre, et même si nous ne pouvons pas les étudier jusqu’au bout avec les installations que nous avons ici, de les communiquer à mes collègues scientifiques à l’échelle internationale afin de créer les conditions d’un programme cohérent permettant d’arriver à la production d’énergie.

Pour une population mondiale en croissance, l’accès à l’énergie c’est l’accès à l’eau potable, à l’alimentation, et c’est le point le plus important pour l’équilibre dans le monde de mon point de vue.

La physique, c’est important, mais l’objectif sociétal et humanitaire l’est tout autant.

La quête d’une installation à la hauteur de l’enjeu

Il faudrait une installation laser en Europe dédiée à l’étude de nouveaux schémas permettant la production d’énergie par fusion. En tant que directrice pendant trois ans (2006 à 2009) de l’Institut Lasers et Plasmas, qui est l’institut qui coordonne les laboratoires travaillant sur la physique des lasers et des plasmas produits par ceux-ci, je me suis beaucoup occupée du projet européen HiPER.

L’idée était d’obtenir le financement de différents pays européens pour construire une installation entièrement dédiée à la fusion, avec des faisceaux laser délivrant environ 200 kJ en impulsions nanoseconde et des faisceaux délivrant 70 kJ en impulsions picoseconde. PETAL, qui est un projet de la Région Aquitaine, avait été inscrit sur la feuille de route de HiPER, comme première étape pour faire des expériences préliminaires.

Le faisceau PETAL, d’une puissance maximale de 7 pétawatts, c’est-à-dire de 3,5 kilojoules en 0,5 picoseconde, est une chaîne laser similaire à la ligne d’intégration laser LIL, une ligne de quatre faisceaux en fonction depuis 2002 qui a servi de prototype pour les faisceaux composant le Mégajoule. PETAL est cependant une version légèrement modifiée pour pouvoir fonctionner en impulsion courte, et il devait être couplé aux faisceaux nanoseconde de la LIL pour pouvoir faire des expériences dédiées à ce vaste domaine qu’est l’interaction laser-plasma pour la fusion et la physique fondamentale. Cependant, en 2010, il a été décidé de transférer PETAL vers le LMJ (Laser MegaJoule) afin de fermer l’installation LIL, ce qui est plutôt triste pour la communauté scientifique parce que disparaît ainsi l’installation qui devait permettre, dès 2010, de faire des expériences dans le régime multikilojoule pour tout ce domaine de recherche fondamentale et d’applications civiles. Et l’utilisation de PETAL par la communauté scientifique en est retardée.

La fusion nucléaire par laser est un candidat idéal pour accomplir une révolution dans le domaine de l’énergie, ce qui aura un impact fondamental sur l’avenir de l’humanité. Il est essentiel de maintenir et amplifier nos efforts de recherche dans ce domaine aujourd’hui si nous voulons détenir les clés de notre production d’énergie dans le futur.

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