La fusion par confinement inertiel est une méthode pour générer de l’énergie par fusion nucléaire, bien qu’elle soit confrontée à de nombreux défis scientifiques (des progrès sont en cours). Des chercheurs de l’Université de Lehigh s’efforcent de surmonter un obstacle spécifique à cette approche en menant des expériences avec de la mayonnaise placée dans un dispositif rotatif en forme de huit. Ils ont décrit leurs dernières découvertes dans un nouvel article publié dans la revue Physical Review E, dans le but d’augmenter les rendements énergétiques de la fusion.
Ce travail s’appuie sur des recherches antérieures dans le laboratoire de mécanique d’Arindam Banerjee à l’Université de Lehigh, qui se concentre sur l’étude des dynamiques des fluides et d’autres matériaux en réponse à des accélérations très élevées et à des forces centrifuges. Dans ce cas, son équipe explorait ce qu’on appelle le « seuil d’instabilité » des matériaux élastiques/plastiques. Les scientifiques s’interrogent sur la question de savoir si cela résulte des conditions initiales ou si c’est le résultat de « processus catastrophiques plus locaux », selon Banerjee. Cette question est pertinente dans divers domaines, y compris la géophysique, l’astrophysique, le soudage explosif et, oui, la fusion par confinement inertiel.
Comment fonctionne exactement la fusion par confinement inertiel ? Comme l’a expliqué Chris Lee pour LesNews en 2016 :
L’idée derrière la fusion par confinement inertiel est simple. Pour fusionner deux atomes, il faut mettre leurs noyaux en contact. Les deux noyaux sont chargés positivement, donc ils se repoussent, ce qui signifie qu’une force est nécessaire pour convaincre deux noyaux d’hydrogène de se toucher. Dans une bombe à hydrogène, la force est générée lorsqu’une petite bombe à fission explose, comprimant un noyau d’hydrogène. Cela fusionne pour créer des éléments plus lourds, libérant une énorme quantité d’énergie.
Les scientifiques, en tant que rabat-joie, préfèrent ne pas faire exploser des armes nucléaires chaque fois qu’ils veulent étudier la fusion ou l’utiliser pour générer de l’électricité. Ce qui nous amène à la fusion par confinement inertiel. Dans la fusion par confinement inertiel, le noyau d’hydrogène consiste en une pastille sphérique de glace d’hydrogène à l’intérieur d’un boîtier en métal lourd. Le boîtier est illuminé par des lasers puissants, qui brûlent une grande partie du matériau. La réaction de force provenant du matériau vaporisé qui explose vers l’extérieur entraîne l’implosion de la coquille restante. L’onde de choc qui en résulte comprime le centre du noyau de la pastille d’hydrogène de manière à ce qu’il commence à fusionner.
Si la fusion par confinement s’arrêtait là, la quantité d’énergie libérée serait minuscule. Mais l’énergie libérée par la combustion de fusion initiale au centre génère suffisamment de chaleur pour que l’hydrogène à l’extérieur de la pastille atteigne la température et la pression requises. Donc, en fin de compte (du moins dans les modèles informatiques), tout l’hydrogène est consommé dans une mort flamboyante, libérant d’énormes quantités d’énergie.
C’est l’idée en tout cas. Le problème est que des instabilités hydrodynamiques tendent à se former dans l’état plasma — Banerjee le compare à « deux matériaux [qui] se pénètrent comme des doigts » en présence de gravité ou de tout champ accélérant — ce qui réduit à son tour les rendements énergétiques. Le terme technique est une instabilité Rayleigh-Taylor, qui se produit entre deux matériaux de densités différentes, où les gradients de densité et de pression se déplacent dans des directions opposées. La mayonnaise s’avère être un excellent analogue pour étudier cette instabilité dans des solides accélérés, sans avoir besoin d’une installation de laboratoire avec des conditions de température et de pression élevées, car c’est un fluide non newtonien.
« Nous utilisons de la mayonnaise parce qu’elle se comporte comme un solide, mais lorsqu’elle est soumise à un gradient de pression, elle commence à s’écouler », a déclaré Banerjee. « Comme avec un métal en fusion traditionnel, si vous appliquez une contrainte sur la mayonnaise, elle commencera à se déformer, mais si vous retirez la contrainte, elle revient à sa forme d’origine. Donc il y a une phase élastique suivie d’une phase plastique stable. La phase suivante est celle où elle commence à s’écouler, et c’est là que l’instabilité se déclenche. »
Encore plus de mayonnaise, s’il vous plaît
Cette vidéo de 2019 présente l’expérience sur l’instabilité Rayleigh-Taylor à l’Université de Lehigh.
Les expériences de son équipe en 2019 consistaient à verser de la mayonnaise Hellman’s Real — pas de Miracle Whip pour cette équipe — dans un récipient en Plexiglas, puis à créer des perturbations ondulantes dans la mayonnaise. Une expérience consistait à placer le récipient sur une roue rotative en forme de huit et à suivre le matériau avec une caméra à haute vitesse, en utilisant un algorithme de traitement d’image pour analyser les séquences. Leurs résultats ont supporté l’affirmation selon laquelle le seuil d’instabilité dépend des conditions initiales, à savoir l’amplitude et la longueur d’onde.
Ce dernier article met en lumière l’intégrité structurelle des capsules de fusion utilisées dans la fusion par confinement inertiel, en examinant de plus près les propriétés matérielles, les conditions d’amplitude et de longueur d’onde, et le taux d’accélération de ces matériaux à mesure qu’ils atteignent le seuil d’instabilité Rayleigh-Taylor. Plus les scientifiques en savent sur la transition de phase de la phase élastique à la phase stable, mieux ils peuvent contrôler les conditions et maintenir soit une phase élastique, soit une phase plastique, évitant ainsi l’instabilité. Banerjee et ses collègues ont pu identifier les conditions nécessaires pour maintenir la phase élastique, ce qui pourrait informer la conception de futures pastilles pour la fusion par confinement inertiel.
Cela dit, les expériences avec la mayonnaise sont un analogue, à des ordres de grandeur éloignés des conditions réelles de la fusion nucléaire, ce que Banerjee reconnaît volontiers. Néanmoins, il reste optimiste quant à la possibilité que les recherches futures améliorent la prévisibilité de ce qui se passe vraiment à l’intérieur des pastilles dans leurs environnements de haute température et de haute pression. « Nous sommes un autre rouage dans cette immense machine de chercheurs, » dit-il. « Et nous travaillons tous pour rendre la fusion inertielle moins coûteuse et donc, réalisable. »
DOI : Physical Review E, 2024. 10.1103/PhysRevE.109.055103 (À propos des DOI).
Pour conclure, en tant que passionné de science et de technologie, je trouve fascinant de voir comment des éléments du quotidien comme la mayonnaise peuvent éclaircir des concepts complexes en physique. Cela illustre non seulement la créativité des chercheurs, mais aussi l’importance d’explorer divers matériaux pour résoudre des problèmes qui semblent insurmontables. Je suis impatient de voir où cette recherche nous mènera, car chaque avancée dans la compréhension de la fusion nucléaire pourrait nous rapprocher d’une source d’énergie plus propre et plus durable.