C’est un moment qui fera date dans la longue quête de la fusion nucléaire, cette réaction physique qui existe en continu au cœur du soleil, et que l’homme essaie de reproduire de manière contrôlée sur Terre depuis 70 ans dans l’espoir d’obtenir une source d’énergie propre et abondante. Alors que toutes les tentatives s’étaient révélées infructueuses, une conférence de presse du département américain de l’énergie, organisée le mardi 13 décembre dans l’après-midi, a confirmé, comme l’avait déjà publié le journal britanniqueThe Financial Times que la National Ignition Facility (NIF), une installation de recherche publique opérée par le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en Californie, a pour la première fois de l’histoire atteint le point de "breakeven". Ce seuil de rentabilité énergétique signifie qu’une réaction de fusion nucléaire est capable de générer plus d’énergie qu’elle n’en a nécessité pour démarrer, et donc potentiellement devenir une source nette d’énergie.
Le NIF, qui a pris le temps d’analyser ses résultats et de les faire expertiser par une équipe externe avant de les annoncer, a dévoilé que son expérience, menée le 5 décembre à une heure du matin, est donc parvenu à atteindre son objectif et à multiplier l’énergie de ses lasers par 1,5 (et non 1,2 comme l’avait initialement écrit le Financial Times). Un résultat encore trop bas pour des applications commerciales , mais qui pourrait ouvrir une nouvelle ère pour la fusion, qui motive déjà de nombreuses start-up en raison de ses promesses énergétiques.
Retirer 120% de l'énergie injectée
Pour rappel, le NIF est une installation de recherche qui se concentre sur la fusion inertielle. Pour atteindre les conditions de pression et de température nécessaires afin de pousser deux noyaux d’hydrogène (sous forme d’isotopes, donc du deutérium et du tritium) à fusionner, elle vise à enclencher une réaction dans un laps de temps très faible en visant une microbille de combustible avec 192 lasers ultra-puissants. Une méthode qui avait déjà porté ses fruits à l'été 2021 quand le NIF avait annoncé s’être approché du seuil de breakeven… sans réussir à renouveler l’exploit depuis.
«L’année dernière, le NIF avait annoncé un facteur d’amplification de l’ordre de 70%, égalant ainsi le record historique obtenu par le réacteur britannique JET en 1997, qui avait déjà réussi à obtenir un plasma générant 70% de l’énergie qu’on lui injectait, retrace Greg de Temmerman, directeur du think-tank Zenon Project et spécialiste de la fusion, auprès de L’Usine Nouvelle. C’est la première fois qu’on a plus d’énergie qui sort du plasma que d’énergie qui n’y rentre, ce qui en fait une étape importante où la recherche entre dans un nouvel univers, où les plasmas ont des propriétés différentes.»
D’après les chiffres communiqués par le LLNL, les 192 lasers du NIF ont fait converger, en quelques milliardièmes de seconde, 2,05 mégajoules (MJ) d’énergie sur le combustible, qui en fusionnant a dégagé 3,15 MJ (et non 2,5 MJ comme l’avait écrit le Financial Times). Soit un gain de plus de 150%, mais l’équivalent de la combustion de seulement dix centilitres de pétrole. La réaction a eu lieu en moins d’un clin d'œil, à une densité deux fois plus forte que le centre du soleil et à 150 millions de degrés Celsius.
Selon les sources du Financial Times, l’expérience menée durant les deux dernières semaines aurait produit 2,5 mégajoules (MJ) d’énergie, soit 120% de l’énergie des lasers (2,1 MJ). Ou l’équivalent de la combustion de dix centilitres de pétrole. Des chiffres qui n’ont pour l’instant pas été confirmés par le LLNL, qui précise dans les colonnes du journal britannique que «les premières données de diagnostic suggèrent une nouvelle expérience couronnée de succès au NIF», mais que «le rendement exact est encore en train d’être déterminé». L’institution précise ne pas confirmer avoir dépassé le seuil de rentabilité pour l’instant. Toujours selon le Financial Times, l’expérience aurait produit plus d’énergie que prévu, ce qui aurait endommagé certains matériels de diagnostic.
Une centrale fonctionnelle nécessite un gain 50 fois plus important
Pour atteindre ce gain énergétique, le NIF souligne ses décennies d’expérience dans la fusion inertielle, ainsi que des améliorations récentes qui l’ont notamment conduit à augmenter la puissance de ses lasers et à jouer sur le design de son combustible comme de la capsule qui l’enveloppe. Une spécificité du NIF, qui se caractérise par son système d’attaque indirecte, explique le Greg de Temmerman. Concrètement, le combustible de fusion – une bille de deutérium et de tritium congelée comprenant des couches de polymère – est enserré dans une capsule cylindrique d’or qui est elle-même visée par les lasers. Leur énergie est ainsi transformée en rayons X au contact de l’or, pour venir ensuite comprimer uniformément le combustible lui-même.
«L’attaque indirecte est une manière de chauffer le combustible de manière homogène, car il est compliqué de centrer tous les lasers sur le combustible au même moment afin de le confiner efficacement», commente Greg de Temmerman. Une astuce qui pourrait cependant limiter les applications commerciales de ce type de fusion inertielle puisqu’une centrale civile nécessiterait «un gain bien plus élevé, de l’ordre de 50 à 100, pour compenser les pertes du système», estime le physicien en soulignant que le gain annoncé à 1,5 ne prend pas en compte l’énergie consommée par l’installation mais seulement celle transmise par les lasers.
« Je veux être clair, cette expérience a nécessité à peu près 300 MJ du réseau pour tirer les laser, qui n’ont pas été conçus pour être efficients », a d’ailleurs insisté Mark Herrmann, le directeur des programmes pour la physique et la conception des armes du LLNL. Autrement dit, si au niveau de la cible, il a été possible de créer de l’énergie via la fusion, l’installation consomme toujours 100 fois plus d‘énergie qu’elle ne peut en produire et « de nombreux progrès sont nécessaire pour faire de la fusion inertielle une source d’énergie ».
Nouveau souffle
La réaction de fusion inertielle étant très courte, une centrale commerciale devrait «aussi être répétée au moins dix fois par seconde» pour produire de l’énergie de manière continue, pointe Greg de Temmerman. Autant d’obstacles qui, sans diminuer l’avancée scientifique que constitue l’atteinte du seuil du breakeven, éloignent la perspective de centrales commerciales basées sur la fusion inertielle dans le futur proche. Lors de la conférence de presse, la directrice du LLNL, la physicienne Kimberly Budell, a estimé que la fusion commerciale pourrait, avec les bons investissements privés, arriver à échelle commerciale d’ici « quelques décennies ».
Plusieurs start-up, comme la britannique First Light Fusion ou l’allemande Marvel Fusion (qui a récemment signé un partenariat scientifique avec Thales) travaillent sur des approches similaires et risquent de se retrouver galvanisées par les succès du NIF, dont «les progrès risquent de redonner confiance aux investisseurs», prévoit Greg de Temmerman. Une bonne nouvelle alors que le projet Iter, qui fait office de tête de pont dans le développement scientifique autour de la fusion à confinement magnétique – une approche alternative à la fusion inertielle qui, comme son nom l’indique utilise d’énorme aimants pour confiner le plasma – vient d’annoncer d’importants retards et ne devrait atteindre le breakeven qu’après 2030.
Des déboires loin de disqualifier cette approche souligne pourtant Kimberly Budell. Selon elle, « des entreprises privées s’attaquent aux deux grandes approches de la fusion afin de commencer à monter à l’échelle d’une centrale électrique. Mais la communauté de la fusion magnétique est plus avancée car elle tire parti du travail qui a été fait les décennies précédentes en tirant sur des instruments comme JET ou au laboratoire du physique des plasmas du MIT. » Autrement dit : le match reste ouvert, et de nombreuses avancées et revers sont encore à attendre avant la première centrale électrique basée sur la fusion nucléaire.
