La fusion par confinement inertiel est une méthode de production d’énergie par fusion nucléaire, même si elle se heurte à toutes sortes de défis scientifiques (bien que des progrès soient réalisés). Des chercheurs de l’université Lehigh tentent de surmonter un problème spécifique de cette approche en menant des expériences avec de la mayonnaise placée dans un dispositif rotatif en forme de huit. Ils ont décrit leurs découvertes les plus récentes dans un nouvel article publié dans la revue Physical Review E dans le but d’augmenter le rendement énergétique de la fusion.
Ces travaux s’appuient sur des recherches antérieures menées au laboratoire de Lehigh par l’ingénieur mécanique Arindam Banerjee, qui se concentre sur l’étude de la dynamique des fluides et d’autres matériaux en réponse à une accélération et une force centrifuge extrêmement élevées. Dans ce cas, son équipe explorait ce que l’on appelle le « seuil d’instabilité » des matériaux élastiques/plastiques. Les scientifiques se demandent si ce phénomène est dû aux conditions initiales ou s’il est le résultat de « processus catastrophiques plus locaux », selon Banerjee. La question est pertinente pour de nombreux domaines, notamment la géophysique, l’astrophysique, le soudage explosif et, bien sûr, la fusion par confinement inertiel.
Comment fonctionne exactement la fusion par confinement inertiel ? Comme Chris Lee l’a expliqué pour Ars 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, ils se repoussent donc, 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, qui sont des rabat-joie, préfèrent ne pas faire exploser d’armes nucléaires chaque fois qu’ils veulent étudier la fusion ou l’utiliser pour produire de l’électricité. Ce qui nous amène à la fusion par confinement inertiel. Dans ce cas, le noyau d’hydrogène est constitué d’une pastille sphérique de glace d’hydrogène à l’intérieur d’une enveloppe en métal lourd. L’enveloppe est éclairée par de puissants lasers, qui brûlent une grande partie du matériau. La force de réaction de la matière vaporisée qui explose vers l’extérieur provoque l’implosion de l’enveloppe restante. L’onde de choc qui en résulte comprime le centre du noyau de la pastille d’hydrogène, ce qui provoque sa fusion.
Si la fusion par confinement s’arrêtait là, la quantité d’énergie libérée serait minime. Mais l’énergie libérée en raison de la combustion initiale de fusion au centre génère suffisamment de chaleur pour que l’hydrogène à l’extérieur de la pastille atteigne la température et la pression requises. Ainsi, à la fin (du moins dans les modèles informatiques), tout l’hydrogène est consumé dans une mort par le feu, et des quantités massives d’énergie sont libérées.
C’est en tout cas l’idée. Le problème est que des instabilités hydrodynamiques ont tendance à se former dans l’état plasmatique – Banerjee le compare à « deux matériaux [that] Les solides accélérés se pénètrent comme des doigts en présence de gravité ou de tout champ accélérateur, ce qui réduit à son tour les rendements énergétiques. Le terme technique est une instabilité de 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 les solides accélérés, sans avoir besoin d’une configuration de laboratoire avec des conditions de température et de pression élevées, car il s’agit d’un fluide non newtonien.
« Nous utilisons la mayonnaise parce qu’elle se comporte comme un solide, mais lorsqu’elle est soumise à un gradient de pression, elle commence à couler », explique Banerjee. « Comme pour un métal fondu traditionnel, si vous exercez une contrainte sur la mayonnaise, elle commence à se déformer, mais si vous supprimez la contrainte, elle reprend sa forme initiale. Il y a donc une phase élastique suivie d’une phase plastique stable. La phase suivante est celle où la mayonnaise commence à couler, et c’est là que l’instabilité entre en jeu. »
Plus de mayonnaise, s’il vous plaît
Vidéo de 2019 présentant l’expérience d’instabilité de la roue rotative de Rayleigh Taylor à l’Université Lehigh.
Les expériences menées par 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 ondulatoires 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 grande vitesse, en utilisant un algorithme de traitement d’image pour analyser les images. Leurs résultats ont confirmé l’hypothèse selon laquelle le seuil d’instabilité dépend des conditions initiales, à savoir l’amplitude et la longueur d’onde.
Cette dernière étude apporte un éclairage supplémentaire sur l’intégrité structurelle des capsules de fusion utilisées dans la fusion par confinement inertiel, en examinant de plus près les propriétés des matériaux, les conditions d’amplitude et de longueur d’onde et le taux d’accélération de ces matériaux lorsqu’ils atteignent le seuil d’instabilité de 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 une phase élastique ou plastique, évitant ainsi l’instabilité. Banerjee et al. ont pu identifier les conditions permettant de maintenir la phase élastique, ce qui pourrait éclairer la conception des futures pastilles pour la fusion par confinement inertiel.
Cela dit, les expériences sur la mayonnaise sont un exemple, à des degrés divers, des conditions réelles de la fusion nucléaire, ce que Banerjee reconnaît volontiers. Il espère néanmoins que les recherches futures amélioreront la prévisibilité de ce qui se passe dans les pastilles dans leurs environnements à haute température et haute pression. « Nous sommes un autre rouage dans cette roue géante de chercheurs », a-t-il déclaré. « Et nous travaillons tous à rendre la fusion inertielle moins chère et donc réalisable. »
DOI : Physical Review E, 2024. 10.1103/PhysRevE.109.055103 (À propos des DOI).