Réduction significative du temps de préparation du combustible de fusion aux États-Unis par Inertia

La startup américaine de fusion Inertia Enterprises a annoncé que, en collaboration avec le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), elle a réalisé des progrès dans la préparation du combustible pour la fusion par confinement inertiel, réduisant le temps nécessaire à la formation de la couche de combustible cryogénique deutérium-tritium, une étape clé, de plusieurs jours à quelques dizaines de minutes. L'entreprise a déclaré que ce résultat accomplit une tâche essentielle parmi les objectifs de développement de la première phase de sa centrale électrique à fusion commerciale.

La voie fondamentale de la fusion par confinement inertiel consiste à utiliser des lasers à haute énergie pour comprimer et chauffer de petites cibles contenant du combustible deutérium-tritium, afin d'atteindre les conditions d'allumage et de libérer de l'énergie. Le National Ignition Facility (NIF) a validé à plusieurs reprises les mécanismes physiques associés. Inertia Enterprises a choisi de suivre la conception de cibles déjà validée par le NIF, plutôt que d'adopter de nouvelles structures de cibles ou des schémas de pilotage insuffisamment éprouvés. La préparation du combustible est ainsi passée d'un problème de faisabilité physique à un problème d'ingénierie et de production à l'échelle industrielle.

Ce type de cible est généralement constitué d'une coque sphérique en carbone, à l'intérieur de laquelle une couche de combustible deutérium-tritium solide, aussi lisse que possible, doit être formée à basse température, tandis que le centre conserve du gaz deutérium-tritium. Pour les expériences d'allumage du NIF, les défauts de la couche de combustible sont amplifiés lors de la compression et affectent le processus d'allumage. Les exigences de précision sont donc extrêmement élevées, et la formation d'une seule couche de combustible peut prendre jusqu'à une semaine, nécessitant de multiples interventions manuelles.

Figure 1 : Schéma en coupe et radiographie X d'exemple d'une capsule de combustible de fusion, montrant la coque sphérique externe en carbone et la couche de « glace » de combustible DT avec un noyau gazeux. Pour Inertia, le diamètre de cette capsule est d'environ 4 à 5 mm. La formation d'une couche de glace DT suffisamment lisse est essentielle pour l'allumage.

Inertia Enterprises a indiqué que son nouveau procédé permet de faire croître la couche cristalline de deutérium-tritium en environ 30 minutes, l'ensemble du processus de préparation de la cible de combustible prenant environ deux à trois heures. L'entreprise estime que ce procédé présente un potentiel d'extension à l'échelle industrielle, pouvant soutenir l'approvisionnement continu en combustible nécessaire pour des centrales à fusion de taille utilitaire.

Anne Kritcher, cofondatrice et scientifique en chef d'Inertia Enterprises, a déclaré que ces progrès proviennent de la collaboration de l'entreprise avec le LLNL en matière de fabrication de cibles et de conception physique, contribuant à faire progresser la voie d'allumage validée par le NIF vers des applications commerciales d'énergie de fusion. Des chercheurs du LLNL ont également indiqué que la qualité de la couche de glace deutérium-tritium formée rapidement est proche de celle des couches de combustible préparées sur de plus longues périodes au NIF, et répond aux exigences de conception des cibles d'Inertia Enterprises.

Figure 2 : La rugosité de la glace DT mesurée avec la nouvelle méthode de fabrication et les modes (fréquence angulaire de la rugosité) correspondent parfaitement aux spécifications originales d'allumage du NIF, avec une précision supérieure aux spécifications d'Inertia, offrant une marge considérable et le choix d'une méthode de fabrication plus rapide. 

Par rapport au NIF, Inertia Enterprises prévoit d'utiliser un système laser de puissance plus élevée. L'entreprise a déclaré que son système commercial est conçu avec une énergie laser supérieure à celle du NIF, offrant ainsi une tolérance plus grande aux défauts de la couche de combustible, sans avoir à rechercher des cibles « parfaites » selon les normes extrêmes des expériences d'allumage du NIF. Les résultats de simulation montrent que, dans une certaine plage de défauts, la rugosité et les différences structurelles de la couche de combustible ne réduisent pas de manière significative la production d'énergie de fusion.

L'accélération de la préparation du combustible pourrait également réduire les besoins en stock de tritium dans l'exploitation de la centrale. Le tritium est radioactif, son approvisionnement est limité et son coût est élevé, avec des exigences strictes en matière de traitement, de stockage et de réglementation. Inertia Enterprises a indiqué que la réduction des cycles de chargement et de préparation du combustible diminue le temps de séjour du combustible sur site, réduit les réserves de tritium nécessaires à la phase de démarrage, et contribue à abaisser les coûts de traitement des matériaux et la charge réglementaire.

Figure 3 : Des simulations détaillées montrent que, par rapport à la glace « d'allumage NIF » parfaitement lisse, la vitesse d'injection de combustible plus rapide d'Inertia ne présente aucune différence ou perte de performance significative, comme illustré par la coque comprimée et le combustible thermonucléaire proche de la vitesse d'implosion maximale.

Selon la vision de l'entreprise, une future centrale à fusion commerciale à pleine échelle pourrait consommer environ 10 pastilles de combustible par seconde. Jeff Lawson, cofondateur et directeur général d'Inertia Enterprises, a déclaré que la réduction des délais dans l'étape de préparation du combustible permet de réduire la taille des installations, d'accélérer les processus et d'améliorer l'efficacité globale.