Arianna Gleason est un scientifique primé au Laboratoire national d'accélérateur du SLAC du ministère de l'Énergie qui étudie la matière dans ses formes les plus extrêmes – du magma rowling au centre de notre planète aux conditions au cœur des étoiles éloignées. Au cours de la Fusion Energy Week, Gleason a discuté de l'état actuel de la recherche sur l'énergie de fusion et de la façon dont SLAC aide à faire avancer le champ.
Qu'est-ce que l'énergie de fusion?
La fusion est au cœur de chaque étoile. La pression et la température énormes au centre d'une étoile fusionnent ensemble, créant de nombreux éléments que vous voyez sur le tableau périodique et générant une immense quantité d'énergie.
La fusion est excitante, car elle pourrait fournir une énergie illimitée à notre réseau électrique. Nous essayons de reproduire l'énergie de fusion ici sur Terre, bien que ce soit un énorme défi pour la science et l'ingénierie.
Avons-nous déjà pu reproduire la fusion dans un laboratoire?
La fusion est à l'avant-garde de l'enquête scientifique depuis de nombreuses décennies, mais ce n'est qu'en décembre 2022 que nous avons atteint un moment incroyable dans la recherche de fusion. En utilisant une technique appelée inertiale Fusion Energy, ou IFE, les chercheurs de Lawrence Livermore National Laboratory Insurition Facility (NIF) ont concentré 192 lasers individuels sur une « cible » de carburant – sur la taille d'un pois – fabriqué du deutérium et du tritium.
Ces lasers ont appliqué une formidable force sur la cible, et il a implosé un plasma brûlant. Les atomes de deutérium et de tritium fusionnent ensemble, générant de l'hélium et un neutron et produisant plus d'énergie à partir de la réaction que ce qui a été utilisé pour le créer. Pendant moins d'un milliard de secondes de seconde, les chercheurs ont créé le centre d'une étoile sur Terre. Après plus de 50 ans de recherche de fusion, le monde a finalement atteint un gain d'énergie net.
C'est incroyable, mais – un billionième de seconde? Cela semble assez court.
Très court! L'idée est que ce processus – ce plasma brûlant – peut être répété plusieurs fois par seconde, entraîné par une série de plans laser qui créent une source de puissance. Pensez-y comme un moteur de voiture: une étincelle (le laser) enflamme le carburant (la cible de carburant de fusion), qui ne brûle que pendant une courte période, mais des cycles répétés d'allumage et de lutte contre la combustion de la puissance. Dans le cas de l'énergie de fusion inertielle, ce serait l'équivalent d'un moteur d'un million de chevaux.
À l'heure actuelle, le NIF produit un ou deux plans chaque jour. Nous essayons de passer d'un coup chaque jour à plusieurs coups de feu chaque seconde. Si nous pouvons orchestrer ces implosions plusieurs fois par seconde, nous pouvons générer un flux continu de puissance – et le faire d'une manière sûre, sans carbone et à une échelle qui répond aux exigences énergétiques à long terme de notre monde.
Maintenant que nous savons que la fusion est possible sur Terre, à quelle distance sommes-nous de cette source d'énergie illimitée sur notre réseau électrique national?
Il existe de nombreuses obstacles que nous devons surmonter avant que l'énergie de fusion commercialisée ne soit une réalité. Comme je l'ai déjà dit, nous devons passer d'un tir laser chaque jour à quelque chose sur l'ordre de 10 coups par seconde.
Un taux de répétition élevé est essentiel. Au-delà de cela, nous devons développer la technologie pour livrer les cibles de carburant dans la chambre de fusion, suivre leurs mouvements et les engager avec des lasers au même rythme – 10 fois par seconde. Le troisième défi consiste à concevoir les cibles elles-mêmes pour s'assurer qu'ils fusionnent et génèrent de l'énergie à chaque fois.
À l'heure actuelle, notre compréhension de la science de la physique et des matériaux de ces cibles est à un stade précoce – un niveau de préparation à la technologie très faible.
Encore plus de base, nous avons besoin de gens. Nous devons former des experts à tous les niveaux – des opérateurs de centrales électriques, des techniciens et des électriciens au doctorat en sciences et en ingénierie. Ce sont de bons emplois qui peuvent provenir au niveau national. Nous devons éduquer la main-d'œuvre, à tous les niveaux, pour la conception et le fonctionnement des centrales électriques.
Que fait SLAC pour relever ces défis?
Le SLAC favorise la science et la technologie de l'énergie fusion de plusieurs manières, notamment en partenariat avec d'autres laboratoires nationaux, universités et sociétés privées.
Une opportunité importante est le défi des taux de répétition élevés, passant d'un laser tiré par jour à 10 tirs chaque seconde. Le SLAC a des années d'expérience sur exactement ce sujet. Nous abrivons le seul laser électronique sans rayons X domestique, la source de lumière cohérente Linac (LCLS) et ses stations d'extrémité expérimentales de pointe. Nous tirons parti de ces installations pour renforcer les capacités des interactions laser-cible à haute répétition.
Le défi consiste à tout faire bien et à la bonne échelle pour la fusion. Pour chaque interaction laser-cible, la cible doit être exactement positionnée et ses mouvements suivis en continu et prédits avec un degré élevé de précision. L'optique – les miroirs et les lentilles – doit être ajusté avec précision pour diriger les lasers.
La réalisation de cette perfection à une échelle de système, comme celle d'une centrale électrique, est extrêmement difficile, et exige des tests méticuleux et étape par étape pour que tous les bugs et les plis soient élaborés.
En raison de l'expertise et des installations uniques de SLAC – par exemple, le fonctionnement des installations de taux de haute représentation comme LCLS qui nécessitent la synchronisation de nombreux systèmes – nous sommes bien placés pour lutter contre cette complexité.
Si nous voulons construire une compréhension fondamentale, développer les meilleures pratiques et faire des démonstrations à mi-échelle pour régler la conception des taux de répétition élevés, il n'y a vraiment pas de meilleur endroit. Nous avons déjà toutes les pièces au même endroit ici au SLAC.
Qu'en est-il des autres domaines, comme le suivi cible et la conception des matériaux cibles?
LCLS fournit des impulsions de rayons X aux stations d'extrémité avancées, y compris la question dans les stations d'extrémité des terminaux de diffraction d'électrons ultraft (MEC) et de mégaelectronvolt (MEC) et Megaelectronvolt. MEC et MEV-Eed ont leurs propres superpuissances uniques qui nous aident à faire progresser les technologies de fusion.
Chez MEC, nous combinons des impulsions de rayons X ultra-rapides de LCLS avec des lasers ultra-puissances. Cela nous permet de reproduire les complexités des cibles dans des conditions extrêmes, comme celles d'une chambre cible de fusion, et de tester les systèmes de livraison et de suivi cibles. Nous construisons des systèmes avancés et des diagnostics, puis nous formons les gens à développer les compétences dont ils ont besoin pour orchestrer la livraison cible répétée et cohérente.
MEC nous aide également à étudier les matériaux pour les cibles de carburant de fusion. Par exemple, une cible potentielle de carburant de fusion est une mousse poreuse – comme l'éponge de votre évier de cuisine – qui peut absorber les carburants liquides, tels que le deutérium et le tritium. Lorsqu'un laser puissant est dirigé vers la capsule de mousse, la couche externe forme du plasma, générant une onde de choc qui comprime l'échantillon et initie le processus de fusion. Cool, non?
Avec MEC, nous pouvons reproduire ce processus et regarder la réponse de la mousse en temps réel, visualisant comment le matériau de la capsule de carburant se comporte dans ces conditions extrêmes. Ces données alimentent nos modèles et simulations de calcul, nous permettant de faire des prédictions plus précises sur la façon dont tous ces systèmes pourraient se réunir dans une centrale électrique.
Et quelle est la superpuissance du Mev-eed?
Nous utilisons l'installation MEV-Eari pour étudier les matériaux structurels nécessaires pour construire une chambre cible de fusion. Ces matériaux subiront des conditions difficiles, y compris le rayonnement et un flux élevé de neutrons, qui peuvent les dégrader au fil du temps. MEV-Eed nous aide à comprendre comment les différents matériaux se comporteront dans ces conditions et identifieront les options les plus durables.
On dirait des progrès sur les défis techniques. Mais qu'en est-il de la construction d'une main-d'œuvre?
Le SLAC est une destination pour les étudiants ravis de travailler dans la fusion. Nous avons les installations à grande échelle sur place, associées à un programme de sciences de densité de haute énergie où les étudiants apprennent de la faculté de Stanford dans toutes les disciplines. Au-delà de cela, nous sommes le siège de Lasernetus, un réseau collaboratif d'installations laser aux États-Unis et au Canada.
Ce partenariat permet aux étudiants et aux post-doctorants de mener des expériences, de se connecter avec le secteur commercial et d'apprendre des experts du continent. Nous sommes à la fois une base d'attache et une rampe de lancement pour les carrières en énergie de fusion.
Vous avez mentionné que les centrales de fusion auront besoin d'une main-d'œuvre au-delà des scientifiques et des ingénieurs. Comment pouvons-nous accumuler cette main-d'œuvre à travers le pays?
Je codirige une nouvelle initiative appelée inertiale Fusion Energy 50, ou Ife 50. Dans le cadre de l'écosystème IFE-star du ministère de l'Énergie, Ife 50 vise à établir des liens avec chaque État des États-Unis, nous voulons générer un réseau communautaire à travers chaque État, des laboratoires nationaux et une industrie privée, en jetant le travail de base pour de forts emplois américains qui offrent une valeur réelle à chaque État, des laboratoires nationaux et des industries privées,, jetant le travail de base pour des emplois américains forts qui offrent une valeur réelle à chaque État
Y a-t-il un fournisseur local qui peut fournir des matières premières? Y a-t-il un intérêt à démarrer un nouveau programme d'école de commerce qui soutiendra les systèmes électriques, mécaniques et CVC nécessaires aux centrales électriques? Nous voulons commencer à avoir ces conversations maintenant, de sorte que lorsque la technologie est prête, la main-d'œuvre américaine l'est aussi.
Pourquoi ce travail est-il si important pour vous?
Je suis tellement excité d'arriver en SLAC tous les jours. Nous faisons un travail incroyable ici, en tirant parti de nos installations uniques et de nos employés. Et vous savez, cela ne s'arrête pas à Fusion Energy – notre travail se traduit par de nombreux domaines d'énergie et de sécurité qui aident à rendre notre pays fort et sécurisé. Nous sommes tellement fiers de ce que nous faisons.
