Passez la mayonnaise : Ce condiment pourrait booster les rendements de l’énergie de fusion !

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La fusion par confinement inertiel représente une méthode pour produire de l’énergie via la fusion nucléaire, bien qu’elle soit confrontée à de nombreux défis scientifiques (des avancées sont cependant réalisées). Des chercheurs de l’Université Lehigh s’efforcent de surmonter un obstacle particulier en menant des expériences avec de la mayonnaise placée dans un dispositif rotatif en forme de huit. Ils ont récemment publié leurs résultats dans un article de la revue Physical Review E, visant à augmenter les rendements énergétiques de la fusion.

Cette recherche s’appuie sur des travaux antérieurs menés dans le laboratoire de l’ingénieur mécanique Arindam Banerjee, qui se concentre sur l’étude des dynamiques des fluides et d’autres matériaux soumis à des accélérations extrêmes et à des forces centrifuges. Dans ce contexte, son équipe a examiné ce que l’on appelle le « seuil d’instabilité » des matériaux élastiques/plastiques. Les scientifiques débattent de la question de savoir si cela résulte de conditions initiales ou de « processus catastrophiques plus locaux », selon Banerjee. Cette problématique est pertinente dans divers domaines, y compris la géophysique, l’astrophysique, le soudage explosif et, bien sûr, la fusion par confinement inertiel.

Comprendre la fusion par confinement inertiel

Comment fonctionne exactement la fusion par confinement inertiel ? Comme l’a expliqué Chris Lee pour Ars en 2016 :

Le principe de la fusion par confinement inertiel est simple. Pour fusionner deux atomes, il faut rapprocher leurs noyaux. Étant tous deux chargés positivement, ils se repoussent, ce qui nécessite une force pour les amener à se toucher. Dans une bombe à hydrogène, cette force est générée par l’explosion d’une petite bombe à fission, qui comprime un cœur d’hydrogène. Cela entraîne la fusion et la création d’éléments plus lourds, libérant une immense quantité d’énergie.

Les scientifiques, soucieux de ne pas faire exploser des armes nucléaires chaque fois qu’ils souhaitent étudier la fusion ou l’utiliser pour produire de l’électricité, se tournent vers la fusion par confinement inertiel. Dans ce processus, le cœur d’hydrogène est constitué d’une pellet de glace d’hydrogène enfermée dans un boîtier en métal lourd. Ce dernier est illuminé par des lasers puissants, qui vaporisent une grande partie du matériau. La force de réaction de ce matériau vaporisé qui explose vers l’extérieur provoque l’implosion de la coque restante. L’onde de choc qui en résulte comprime le centre de la pellet d’hydrogène, initiant ainsi la fusion.

Si la fusion par confinement s’arrêtait là, la quantité d’énergie libérée serait minime. Cependant, l’énergie dégagée par la fusion initiale au centre génère suffisamment de chaleur pour que l’hydrogène à l’extérieur de la pellet atteigne la température et la pression nécessaires. En fin de compte (du moins dans les modèles informatiques), tout l’hydrogène est consommé dans une mort flamboyante, libérant d’énormes quantités d’énergie.

C’est l’idée, en théorie. Le problème réside dans le fait que des instabilités hydrodynamiques se forment dans l’état plasma. Banerjee compare cela à « deux matériaux qui s’entrelacent comme des doigts » en présence de gravité ou de tout champ d’accélération, ce qui réduit les rendements énergétiques. Le terme technique est l’instabilité de Rayleigh-Taylor, qui se produit entre deux matériaux de densités différentes, où les gradients de densité et de pression se déplacent dans des directions opposées. La mayonnaise s’avère être un excellent analogue pour étudier cette instabilité dans des solides accélérés, sans nécessiter un environnement de laboratoire à haute température et pression, car il s’agit d’un fluide non newtonien.

« Nous utilisons de la mayonnaise parce qu’elle se comporte comme un solide, mais lorsqu’elle est soumise à un gradient de pression, elle commence à s’écouler », a déclaré Banerjee. « Comme avec un métal en fusion traditionnel, si vous appliquez une contrainte sur la mayonnaise, elle commence à se déformer, mais si vous retirez la contrainte, elle retrouve sa forme d’origine. Il y a donc une phase élastique suivie d’une phase plastique stable. La phase suivante est celle où elle commence à s’écouler, et c’est là que l’instabilité se manifeste. »

Des expériences prometteuses avec la mayonnaise

Les expériences de l’équipe en 2019 ont consisté à verser de la mayonnaise Hellman’s dans un conteneur en Plexiglas, puis à créer des perturbations ondulatoires dans la mayonnaise. Une des expériences a impliqué de placer le conteneur sur une roue rotative en forme de huit et de suivre le matériau avec une caméra à haute vitesse, utilisant un algorithme de traitement d’image pour analyser les séquences. Leurs résultats ont confirmé que le seuil d’instabilité dépend des conditions initiales, notamment de l’amplitude et de la longueur d’onde.

Le dernier article apporte un éclairage supplémentaire sur l’intégrité structurelle des capsules de fusion utilisées dans la fusion par confinement inertiel, en examinant de plus près les propriétés des matériaux, les conditions d’amplitude et de longueur d’onde, ainsi que le taux d’accélération de ces matériaux lorsqu’ils atteignent le seuil d’instabilité de Rayleigh-Taylor. Plus les scientifiques en savent sur la transition de phase de l’élastique à la phase stable, mieux ils peuvent contrôler les conditions et maintenir soit une phase élastique, soit une phase plastique, évitant ainsi l’instabilité. Banerjee et ses collègues ont pu identifier les conditions nécessaires pour maintenir la phase élastique, ce qui pourrait influencer la conception de futures pellets pour la fusion par confinement inertiel.

Cela dit, les expériences avec la mayonnaise ne sont qu’un analogue, très éloigné des conditions réelles de la fusion nucléaire, ce que Banerjee reconnaît volontiers. Il reste néanmoins optimiste quant à l’amélioration de la prévisibilité de ce qui se passe à l’intérieur des pellets dans leurs environnements à haute température et haute pression. « Nous sommes un rouage dans cette immense machine de chercheurs », a-t-il déclaré. « Et nous travaillons tous à rendre la fusion inertielle moins coûteuse et donc réalisable. »

DOI : Physical Review E, 2024. 10.1103/PhysRevE.109.055103.