Une étude révèle une fusion de deutérium à ultra-basse énergie dans des feuilles métalliques de palladium et de titane

Des chercheurs américains ont observé un phénomène de fusion de deutérium à basse énergie dans de fines feuilles métalliques de palladium et de titane : lorsque l'énergie des deutérons incidents diminue jusqu'à un niveau où l'on considère généralement que la réaction de fusion devrait fortement s'atténuer, voire s'arrêter, la réaction de fusion se poursuit. Les expériences montrent que, à mesure que l'énergie incidente diminue, le taux de fusion ne continue pas de chuter de manière exponentielle, mais entre dans un palier en dessous d'environ 2 keV. À l'énergie de détection la plus basse, le taux de fusion à basse énergie mesuré est supérieur de plus de 10^18 fois à la valeur prédite par le modèle du noyau atomique isolé.

Image fournie par Marina·Wright/Université de Californie à Davis

La recherche associée a été menée par les équipes de l'Université de Californie à Davis (University of California, Davis) et du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory), et les résultats ont été publiés dans Nature Communications (Nature Communications). Les chercheurs estiment que les électrons présents dans le métal, les défauts du réseau cristallin et l'environnement local à forte concentration de deutérium pourraient avoir collectivement modifié les conditions de la réaction nucléaire. Cependant, l'équipe souligne également que, même si l'amplification relative est importante, le taux de fusion absolu actuel reste bien inférieur au niveau nécessaire pour une exploitation énergétique.

La fusion nucléaire exige que des noyaux atomiques chargés positivement s'approchent les uns des autres, mais il existe une répulsion coulombienne entre eux. Dans la recherche sur la fusion par plasma, les réacteurs doivent généralement fonctionner à des températures correspondant à des énergies de collision d'environ 10 keV ; lorsque l'énergie continue de diminuer, la probabilité de fusion chute rapidement. L'effet tunnel quantique permet aux noyaux de réagir même à des énergies inférieures à la barrière de potentiel classique, mais dans le domaine des basses énergies, cette probabilité est généralement extrêmement faible.

Contrairement au plasma, l'intérieur d'un métal solide présente un environnement électronique et cristallin complexe. Jeremy·Munday (Jeremy Munday), chercheur à l'Université de Californie à Davis, indique que les électrons, les défauts et le deutérium à haute concentration dans le réseau métallique pourraient créer un environnement réactionnel inexistant dans un plasma traditionnel. Le nuage électronique du métal peut, dans une certaine mesure, écranter la répulsion entre les noyaux, facilitant ainsi leur rapprochement. Cet « effet d'écrantage électronique » fait l'objet d'une attention soutenue depuis les années 1990, mais son mécanisme microscopique n'est pas encore entièrement élucidé.

Le dispositif expérimental utilise un réacteur à membrane, plaçant une feuille métallique d'environ 0,25 mm d'épaisseur entre deux environnements. D'un côté se trouve une cellule électrochimique qui injecte du deutérium depuis la phase liquide dans la feuille métallique par un processus similaire à la charge d'une batterie ; de l'autre côté, un environnement sous vide où un faisceau d'ions deutérium bombarde la même feuille métallique et pénètre dans la couche proche de la surface. Chaque réaction de fusion produit des protons ou des neutrons à grande vitesse, que l'équipe de recherche enregistre à l'aide de détecteurs indépendants, et élimine les signaux parasites par des mesures de bruit de fond et des expériences témoins.

Les résultats expérimentaux montrent que, dans le palladium et le titane, le rendement de fusion entre dans un palier lorsque l'énergie incidente descend en dessous d'environ 2 keV. Après avoir introduit du deutérium supplémentaire dans le métal par voie électrochimique, le rendement augmente d'environ un facteur deux. Les chercheurs estiment que cela indique que l'environnement matériel ne sert pas simplement de support passif à la réaction nucléaire, mais pourrait influencer activement le processus de réaction nucléaire à basse énergie.

Konrad·Czerski (Konrad Czerski), professeur de physique nucléaire et médicale à l'Université de Szczecin (University of Szczecin) en Pologne, estime que ce résultat corrobore les découvertes précédemment obtenues par son équipe dans le cadre du projet européen CleanHME. Il indique que son équipe a observé des paliers similaires dans le zirconium, le palladium et le titane en utilisant des méthodes différentes, les données sur le palladium concordant bien avec les résultats de l'équipe américaine, tandis que celles sur le titane présentent encore des écarts.

Concernant l'origine du palier, les chercheurs avancent encore des explications divergentes. L'équipe américaine tend à penser que la couche superficielle endommagée de la feuille métallique pourrait apporter un effet d'écrantage anormalement renforcé ; Czerski estime quant à lui que le palier est lié à la fusion du deutérium dans le métal à température ambiante, sans nécessairement impliquer une modification de l'énergie d'écrantage.

Munday indique que la prochaine étape clé consiste à identifier l'origine microscopique du palier à basse énergie, notamment les rôles de l'écrantage électronique, des dommages de surface, de la migration et du piégeage du deutérium dans le métal. L'équipe américaine prévoit également d'étudier si l'éclairage ou les vibrations du cristal peuvent influencer le taux de réaction. En ce qui concerne les applications à court terme, les chercheurs estiment qu'une petite source de neutrons est plus proche de la réalité qu'un dispositif de production d'énergie par fusion.