HIBEF donne un aperçu de la structure des matériaux et des processus naturels très rapides, tels que ceux qui se produisent dans des échantillons de matière dense et chaude. Crédit : HZDR / Laboratoire de communication scientifique
La fusion de noyaux d’hydrogène est une option prometteuse pour créer une source d’énergie productive et durable sur Terre. Le problème? Des pressions et des températures extrêmement élevées sont nécessaires pour déclencher le processus de fusion nucléaire. Technologiquement, cela pourrait être réalisé grâce à des flashs laser (« fusion laser » ou « fusion par confinement inertiel »). En élaborant le projet « Optimisation laser à rayons X de la fusion laser » (Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion, ROLF), le Dr Tobias Dornheim du Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) du Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) entend désormais améliorer la compréhension théorique de la compression de l’hydrogène. Au lieu de la méthode « essais et erreurs », des expériences de fusion laser pourraient être conçues et réalisées à l’avenir de manière plus ciblée – une condition préalable essentielle pour une centrale électrique à fusion commerciale. Outre l’UE via le « Fonds pour une transition juste », l’État libre de Saxe contribue également directement au financement du projet.
Les pressions et températures extraordinairement élevées requises pour les processus de fusion sont obtenues en comprimant une capsule initialement très froide remplie d'isotopes d'hydrogène deutérium et tritium. Lors de la réaction de fusion, l’hydrogène entre pendant un certain temps dans un état particulier : celui de matière dense et chaude (WDM). Ce domaine, situé approximativement entre la matière condensée et la matière chaude plasma en termes de pression et de température, c'est le domaine d'expertise de Dornheim. Fin 2022, le jeune chercheur a reçu une « Starting Grant » du Conseil européen de la recherche d’une valeur de près de 1,5 million d’euros par voie de concours. Les travaux sur le projet sont actuellement en cours : Dornheim et son équipe développent apprentissage automatique méthodes qui devraient permettre une description théorique fiable du WDM. Le projet de transition structurelle se concentre désormais sur un défi plus pratique.
« L'un des problèmes majeurs de la fusion laser est d'obtenir une compression stable avec le souffle laser », explique Dornheim, chef du groupe de jeunes chercheurs « Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory » à CASUS et responsable du projet ROLF. « Il est impératif que la capsule de combustible implose aussi uniformément que possible, c'est-à-dire sans aucune instabilité, pour garantir qu'autant de combustible que possible soit fondu et qu'une quantité correspondante d'énergie utilisable soit libérée. Pour y parvenir, nous devons d’abord améliorer notre compréhension du comportement du WDM.
La matière dense et chaude, comme on peut la trouver, par exemple, dans le noyau des planètes et des étoiles, fait l'objet de recherches expérimentales dans des installations de recherche à grande échelle telles que la ligne de lumière internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF) du XFEL européen et la National Ignition Facility. (NIF) au Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis. Dans ces installations, le WDM peut être généré pendant des fractions de seconde à l’aide de puissants flashs laser. L'équipe de Dornheim coopère avec les deux institutions. Une méthode expérimentale importante pour analyser la fusion laser est la diffusion des rayons X de Thomson (XRTS), et c'est là qu'intervient le nouveau projet ROLF.
Rendre le diagnostic radiologique accessible à tous
Pour les diagnostics utilisant la diffusion des rayons X, une source de rayons X est dirigée vers un échantillon. Les changements d'énergie des photons déviés dans l'échantillon sont mesurés et utilisés pour tirer des conclusions sur les propriétés du matériau. Jusqu'à présent, l'évaluation des données mesurées reposait principalement sur une série d'approximations incontrôlées. Il y a un an, cependant, l'équipe CASUS a démontré qu'une évaluation précise des données est possible sans recourir à des simulations ou à des modèles avec toutes leurs approximations et hypothèses.
Dornheim et son équipe recourent à une méthode mathématique fondamentale, à savoir la transformée de Laplace. Au sein de ROLF, les chercheurs prévoient de créer un progiciel open source pour rendre cette méthode d'évaluation accessible à tous les experts en fusion laser. De plus, ils ont l’intention de développer davantage la méthode pour faciliter les applications au-delà de la détermination de température de haute précision et sans modèle à l’aide de mesures XRTS. À l’avenir, il devrait également être possible de déterminer d’autres variables pertinentes, telles que la densité ou le degré d’ionisation du WDM.
L'équipe de Görlitz a ensuite l'intention d'utiliser le logiciel nouvellement conçu pour analyser les données XRTS existantes, par exemple celles du XFEL européen, afin de développer et de tester expérimentalement de nouvelles méthodes de mesure de la diffusion des rayons X. Une fois que les diagnostics XRTS auront une base solide, les résultats dérivés de la diffusion des rayons X seront incorporés dans les simulations de fusion laser. « Nous supposons que les paramètres dérivés de ces simulations permettront une compression nettement meilleure de la capsule et ouvriront la voie à une toute nouvelle génération d'expériences de fusion », explique Dornheim, donnant un bref aperçu.
HZDR peut apporter une contribution à la fusion laser
Le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) a récemment présenté un nouveau programme de financement pour la recherche sur la fusion. L’objectif est de jouer un rôle décisif dans le défi international visant à parvenir à l’exploitation économique d’une centrale à fusion. Un document de position du BMBF récemment publié souligne la nécessité de « diagnostics raffinés pour valider les codes et les modèles ». Le professeur Sebastian M. Schmidt, directeur scientifique du HZDR, se réjouit de l'approbation du financement du projet CASUS : « Avec HIBEF, CASUS et nos lasers haute puissance DRACO et PENELOPE, le HZDR est dans une excellente position pour faire contributions significatives à la recherche sur la fusion laser. Nous pouvons décrypter les processus fondamentaux qui ouvrent la voie à une application.
Le Fonds pour une transition juste (FTJ) est un instrument de financement de l’Union européenne qui profite principalement aux régions dépendantes de la houille et du lignite. Au total, 375 millions d'euros sont disponibles pour la partie saxonne de la région minière de Lusace. Bien que la plupart des financements soient réservés au soutien de l’économie dans les domaines les plus touchés par les changements structurels, les établissements universitaires peuvent également demander un financement pour des projets de recherche et développement. CASUS a ainsi pu obtenir un financement à 100 % de plus de 700 000 euros pour ROLF via la directive de financement « Research InfraProNet 2021 – 2027 ».
