Une équipe de recherche américaine a découvert que les matériaux solides peuvent augmenter considérablement la fréquence des réactions de fusion à basse énergie.

L'équipe de recherche de l'Université de Californie, Davis (UC Davis) et du Lawrence Berkeley National Laboratory du Département américain de l'énergie a découvert que l'environnement matériel dans lequel se déroule une réaction de fusion peut affecter considérablement la fréquence des réactions, en particulier dans les zones de basses énergies où la fusion est généralement difficile à réaliser. Les résultats ont été publiés le 18 juillet dans "Nature Communications".

Les chercheurs estiment que cette découverte offre de nouvelles voies expérimentales pour étudier les réactions nucléaires à l'intérieur des matériaux solides et rend "la fusion pilotée par les matériaux" une voie digne d'exploration plus approfondie. Contrairement aux efforts traditionnels axés sur le développement de matériaux capables de résister aux conditions extrêmes de la fusion, cette étude suggère que les matériaux eux-mêmes pourraient favoriser les réactions de fusion dans des conditions spécifiques, agissant un peu comme des catalyseurs dans les processus chimiques.

Dans l'expérience, les chercheurs ont rempli du deutérium des feuilles minces de palladium et de titane. Le deutérium est un isotope d'hydrogène couramment utilisé dans les réactions de fusion. L'équipe a traité les feuilles minces selon deux méthodes différentes avant de les bombarder avec des faisceaux d'ions deutérium de différentes énergies et mesuré la fréquence des réactions de fusion. Les taux de fusion obtenus avec différents matériaux et méthodes de traitement ont ensuite été comparés aux taux de fusion "nus" en l'absence de tout environnement matériel.

Les résultats montrent que le taux de fusion est étroitement lié à la méthode de remplissage du deutérium dans les feuilles métalliques. Le changement le plus notable s'est produit dans la région basse énergie inférieure à 2,5 keV. Selon les prédictions théoriques, le taux de fusion devrait rapidement diminuer dans cette plage d'énergie, mais certaines des mesures ont révélé une plateforme de taux de fusion où la fréquence de réaction était environ 10^18 fois supérieure à celle de la fusion nue.

Les chercheurs n'ont pas encore confirmé entièrement les mécanismes spécifiques de ce phénomène. L'équipe spécule que les électrons dans le matériau et les défauts cristallins pourraient protéger partiellement la répulsion électrostatique entre les noyaux de deutérium, permettant aux noyaux de deutérium de s'approcher plus facilement et de fusionner. À l'avenir, il sera possible de modifier davantage les conditions de réaction nucléaire en ajustant la structure électronique des matériaux, la distribution des défauts et la composition.

Arun Persaud, responsable du groupe de science de la fusion et de technologie des faisceaux d'ions au département de la physique des accélérateurs et des applications du Lawrence Berkeley National Laboratory, a déclaré que ces résultats offrent un nouveau facteur de contrôle pour la recherche sur la fusion. Si les mécanismes sous-jacents peuvent être mieux compris, les chercheurs pourraient développer de nouveaux matériaux capables d'influencer le taux de fusion dans des conditions spécifiques, ouvrant ainsi la voie à des générateurs de neutrons plus compacts et plus efficaces, qui pourraient être utilisés dans le dépistage des marchandises, la science planétaire, le traitement et l'imagerie médicale.

Jeremy Munday, professeur à l'UC Davis et auteur correspondant de l'article, a déclaré que la prochaine étape clé est de déterminer les mécanismes spécifiques par lesquels les matériaux améliorent la fusion basse énergie et d’évaluer si cet effet peut continuer à fonctionner à des températures ou à des énergies encore plus basses.

L'équipe de recherche prévoit de tester davantage de types de matériaux et de se concentrer sur l'étude de la période de plateau de fusion anormale qui apparaît dans les conditions de basse énergie. L’équipe estime que cette plateforme expérimentale reproductible aidera à étudier systématiquement comment les matériaux solides influencent les réactions nucléaires, offrant ainsi de nouveaux points d'entrée pour la recherche croisée entre la science de la fusion, la science des matériaux et la chimie.

Cette étude a été financée par l'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) du Département américain de l'énergie.