La fusion froide ravive les rêves d’énergie propre sans plasma chaud

La fusion nucléaire signifie-t-elle uniquement la fusion chaude ?

La fusion nucléaire est le Saint Graal de la recherche énergétique. Il fournirait d’énormes quantités d’énergie propre, ne produisant aucun déchet nucléaire ni émission de carbone, tout en utilisant un combustible si abondant qu’il constitue la majorité de la matière de l’univers.

C’est également incroyablement difficile à réaliser, tout simplement parce que la seule façon dont nous connaissons la fusion nucléaire est de reproduire les conditions à l’intérieur des étoiles, avec une pression et une température insondables de l’ordre de dizaines ou de centaines de millions de degrés.

Ceci peut être réalisé en utilisant de puissants champs magnétiques pour contenir et comprimer le plasma ultra-chaud. Ou avec des centaines de lasers puissants, tous synchronisés pour viser le même endroit. Cependant, toutes ces méthodes ont du mal à maintenir la réaction de fusion suffisamment longtemps pour « rembourser » l’énergie dépensée pour initier la fusion nucléaire.

Source: IEEE

La complexité de la technologie de fusion nucléaire et son potentiel pour résoudre notre problème énergétique ont été abordés plus en détail dans notre article «Fusion nucléaire – La solution ultime en matière d’énergie propre à l’horizon. »

Mais et si la fusion nucléaire pouvait se produire dans des circonstances différentes, en utilisant la science des matériaux, les métaux rares et la chimie au lieu de la physique des plasmas de grande puissance ?

C’est la promesse de la « fusion froide », un domaine longtemps considéré comme non scientifique et ridiculisé par la communauté scientifique. C’était jusqu’à ce qu’un article scientifique soit publié dans la prestigieuse revue Nature, intitulé «Observation de l'émission de neutrons lors de la cavitation acoustique de poudre de titane deutéré. »

Histoire de la fusion froide

En 1989, les chercheurs Stanley Pons et Martin Fleischmann affirmaient avoir réalisé la fusion froide. Malheureusement, les années de tentatives de la communauté scientifique pour reproduire les résultats obtenus ont jusqu'à présent échoué. conduisant à des accusations de mauvaise qualité scientifique, voire de fraude pure et simple.

La polémique qui s’ensuivit endommagea définitivement l’image de ce concept. Cela a également conduit à sa forte popularité auprès des amateurs, des fraudeurs et des « inventeurs » peu sérieux, peu disposés à exposer leur « découverte » à l’examen par les pairs et à l’examen scientifique.

Il est néanmoins encore étudié par un petit nombre de scientifiques, généralement sous les noms moins controversés de réactions nucléaires à faible énergie (LENR), de science nucléaire à matière condensée (CMNS) ou de réactions nucléaires chimiquement assistées (CANR).

Un regain d’intérêt pour ce domaine s’est produit dans les années 2020, alors que les gens cherchent à dépasser les stigmates de la recherche amateur. Notamment, l'agence gouvernementale américaine L'ARPA-E a annoncé en 2023 une poignée de subventions pour financer des groupes de recherche étudiant les réactions nucléaires à faible énergie (LENR), en suivant des résultats intrigants obtenus par des chercheurs de la NASA en 2020.

L’équipe de la NASA a appelé leur méthode « fusion par confinement en réseau ». Ils ont insisté sur le fait que ce qu'ils avaient fait était pas fusion froide mais une forme particulière de fusion chaude.

Néanmoins, provoquer une fusion sans plasma a clairement montré que la fusion nucléaire peut être réalisée de plus de façons qu’on ne le pensait auparavant, et qu’une véritable fusion à froid pourrait également être encore une possibilité.

Les deux concepts principaux de la fusion à froid

Fusion axée sur le métal

Une méthode proposée pour la fusion à froid, initialement proposée par Pons & Fleischmann en 1989, impliquait l'utilisation de matériaux changeant de forme afin que les atomes d'hydrogène soient piégés et forcés de fusionner. Pour ce faire, des métaux infusés d’hydrogène comme le palladium, l’erbium et le titane ont été proposés.

Le concept général est qu’en absorbant les atomes d’hydrogène et en les rapprochant les uns des autres, le réseau métallique changerait de forme. Et que cela pourrait d’une manière ou d’une autre faciliter la fusion des atomes d’hydrogène en hélium.

Même si cela n’est pas complètement impossible, les physiciens ont été sceptiques dès le départ, car les niveaux d’énergie nécessaires pour surmonter la tendance des noyaux d’hydrogène à se repousser sont gigantesques.

Fusion de bulles

Une autre idée est que la fusion nucléaire pourrait se produire dans des bulles lorsqu’elles s’effondrent ; par exemple, des bulles peuvent se former dans l'eau lorsqu'elles sont soumises à des ultrasons, une idée aussi parfois appelée sonofusion.

En théorie, les ondes de choc créées par l’effondrement d’une bulle dans un liquide pourraient être suffisamment puissantes pour provoquer une fusion, un peu comme le font les ondes de choc induites par le laser.

On sait également que la cavitation peut être une force très puissante, par exemple, ronger facilement le métal des hélices de bateaux grâce à la simple force de l'effondrement des bulles.

Source: Britannique

Un sujet de recherche contemporain concerne l’émission de lumière lorsque la cavité produite par une onde ultrasonore de haute intensité s’effondre. Cet effet, appelé sonoluminescence, peut créer des températures instantanées plus chaudes que la surface du Soleil.

Si la sonoluminescence peut naître de « températures plus chaudes que la surface du Soleil », en théorie, la fusion nucléaire aussi.

L'idée est aussi controversée que le treillis « classique » la fusion froide, dont son principal promoteur est largement critiqué. Mais en 2013, le débat reprend :

Selon un nouveau rapport d'enquête sur les archives du Laboratoire national d'Oak Ridge, une découverte très médiatisée de 2002 qui jetait le doute sur l'expérience controversée de fusion nucléaire sur table a elle-même été mise en doute.

En fait, le journaliste qui a examiné le dépôt de documents d'Oak Ridge a également trouvé des preuves possibles qui auraient pu soutenir certains des chercheurs en difficulté, notamment l'auteur principal Rusi Taleyarkhan, maintenant à l'Université Purdue.

Spectre IEEE

Pourtant, le regain d'intérêt en 2013 n'a pas donné beaucoup de nouveaux résultats, et l'idée est revenue dans la pile des « ce serait bien mais ça ne marche pas » de l'histoire des sciences.

La découverte de 2024

C'était jusqu'à ce qu'un seul chercheur, Max Fomitchev-Zamilov, président de Société Maximus Énergie, aux États-Unis, a publié l'article scientifique mentionné précédemment dans Nature.

La société est spécialisée dans la vente d'outils destinés aux expériences de physique nucléaire, tels que des détecteurs de neutrons, des détecteurs gamma, des spectromètres à rayons X, des processeurs d'impulsions numériques, des analyseurs multicanaux et des logiciels de spectroscopie.

En mai 2024, le Dr Fomitchev-Zamilov a affirmé avoir détecté des événements potentiels de fusion avec des bulles d'eau lourde (fabriquées avec du deutérium au lieu de l'hydrogène normal) mélangées à des particules de titane.

Cela combinerait, en théorie, les deux approches théorisées pour la fusion froide, avec un réseau métallique de titane. et  sonofusion.

Nous avons pu maintenir la production de neutrons pendant plusieurs heures et répéter l’expérience plusieurs fois dans diverses conditions.

Nous émettons l'hypothèse que les neutrons observés proviennent de la fusion nucléaire d'ions deutérium dissous dans le réseau de titane en raison de l'action mécanique des jets de cavitation impactants.

Regard sur la sonofusion froide en treillis

Les résultats de l'expérience sont très intéressants. Non seulement le nombre maximal de neutrons était «10,000x en excès de fond, mais cela ne s'est également produit que lorsque les ondes acoustiques secondaires ingérence constructive entraînant des pics de pression massifs et brusques de l’ordre de quelques milliers de psi. "

La production de neutrons pourrait également être soutenue pendant plusieurs heures.

Il convient de noter que la configuration expérimentale est remarquablement compacte et utilise des composants relativement « ordinaires » de détecteurs et d’outils de physique nucléaire, ce qui la rend assez facile à reproduire et à tester pour d’autres chercheurs.

Source: Nature

D’ailleurs, la volonté du Dr Fomitchev-Zamilov de partager ses données brutes et son dispositif expérimental est une démarche rafraîchissante dans un domaine souvent dominé par les « recettes secrètes ».

Un lent progrès

Peut-être plus précieux est l'aveu répété dans l'article publié de ce qui n'a pas fonctionné, ce que les amateurs de fusion froide sont rarement disposés à faire.

La cavitation des bulles de deutérium dans l'huile minérale n'a pas fonctionné, quels que soient les changements apportés à la taille des bulles, à l'amplitude de la pression, à la fréquence ou aux tensioactifs ajoutés. Les gouttelettes de deutérium n’ont pas fonctionné non plus.

De tels « échecs » sont importants, car ils montrent que la détection des neutrons n’est qu’une erreur ou un artefact de mesure du dispositif expérimental. Cependant, dès qu’ils ont ajouté des particules de titane deutéré à de l’eau deutérée (eau lourde), ils ont détecté un flux de neutrons.

Plus intéressant encore, le pic de neutrons s’est produit régulièrement, en synchronisation avec les ondes acoustiques.

Source: Nature

De même, le pic de neutrons, différent du bruit de fond et des autres signaux, est clairement visible lorsque l'on regarde l'échantillon pendant 5 heures, puis que l'on déclenche les ondes acoustiques.

Source: Nature

Ces résultats ont été obtenus de manière constante à maintes reprises et analysés plus en détail au cours d'une période de 6 mois, réduisant ainsi davantage le risque d'un hasard ou d'un cas étrange qui ne peut pas être reproduit.

Pas encore une preuve définitive

L'article publié reconnaît que la fusion froide n'est toujours pas la seule explication justifiant le flux de neutrons.

Ce qui a été démontré, et constitue une découverte révolutionnaire, c'est qu'avec des particules de titane deutérées + de l'eau deutérée + des ondes sonores/cavitation, des neutrons sont émis.

Par exemple, les conditions de l'expérience pourraient créer un phénomène appelé spallation. C’est là qu’un apport de haute énergie (comme celui de particules de haute énergie) divise un noyau en ses composants, ce qui pourrait théoriquement provoquer la détection de neutrons.

Source: imposte

Des analyses plus approfondies des réactions sont donc nécessaires, nécessitant apparemment des études spectroscopiques supplémentaires.

Améliorer la conception

Bien entendu, un autre commentaire que nous devrions faire est que ces résultats doivent maintenant être reproduits par d’autres chercheurs pour être pleinement fiables.

Davantage de données doivent être collectées à partir d'expériences pour comprendre comment optimiser la production de neutrons et la réaction de fusion potentielle.

Matériel

Nous savons d'après cette publication que la poudre de titane/deutérium dans l'huile était stable contre la pourriture et la séparation pendant au moins 6 mois.

Mais avant toute discussion sur l’utilisation pratique de tels progrès potentiels dans la fusion froide, nous devrons savoir ce qui est consommé au cours du processus.

Mécanismes de sonofusion à froid sur réseau

L'hypothèse de travail est que les jets de cavitation sont à l'origine des pics de neutrons observés et de la fusion nucléaire supposée.

Ces jets pourraient «agissent comme des pistons compactant les ions deutérium stockés dans le réseau de titane. Dans ce cas, le matériau des jets n'est pas si important et les gouttelettes de H2O devraient être aussi efficaces que les gouttelettes de D2O ».

Ou peut-être "les jets doivent contenir des ions deutérium et le mécanisme d'action est celui d'un faisceau d'ions frappant une cible deutérée" .

Clarifier entre les deux hypothèses sera probablement la prochaine étape pour le Dr Fomitchev-Zamilov.

Des échos des travaux de la NASA ?

Nous devrions remarquer que le Méthode de « fusion non froide et non plasmatique » découverte par des scientifiques de la NASA en 2020 a utilisé des électrons puissants pour déclencher une séquence de collisions de particules, accélérant finalement suffisamment pour qu'un atome de deutérium déclenche la fusion.

Pour surmonter cette barrière, il faut une séquence de collisions de particules. Premièrement, un accélérateur d’électrons accélère et projette les électrons sur une cible proche en tungstène. La collision entre le faisceau et la cible crée des photons de haute énergie, tout comme dans un appareil à rayons X classique.

Les photons sont focalisés et dirigés vers l’échantillon d’erbium ou de titane chargé de deutérons. Lorsqu’un photon frappe un deuton dans le métal, il le divise en un proton et un neutron énergétiques. Ensuite, le neutron entre en collision avec un autre deuton, ce qui l'accélère.

La cavitation, déjà connue pour créer des températures instantanées plus chaudes que la surface du Soleil au niveau atomique, pourrait-elle reproduire le même processus mais sans accélérateur de particules ?

L’énergie propre est-elle résolue ?

Si cette découverte est confirmée et perfectionnée, cela signifie-t-il que nous avons résolu la fusion nucléaire ? Et cette énergie propre et abondante n’est-elle qu’une question de temps ? Peut-être, mais il manque encore une donnée cruciale : même si nous savons que des neutrons sont émis, nous ne savons pas quelle quantité d’énergie le système émet.

Ainsi, le problème qui a jusqu’à présent entravé la fusion à chaud, produisant plus d’énergie qu’elle n’en consomme, pourrait également être un problème pour la fusion à froid.

Un point encourageant est que le Dr Fomitchev-Zamilov travaille sur une paillasse de laboratoire, loin des installations comme le  Installation nationale d'allumage des États-Unis (NIF) délivrant 500 billions de watts de puissance maximale en un seul endroit grâce à 192 faisceaux laser puissants.

Ainsi, même si la production d’énergie peut être modeste, nous pouvons en déduire que l’apport l’était également.

Investir dans la fusion nucléaire

En tant qu'idée scientifique émergeant tout juste d'une mauvaise réputation qui a pratiquement tué la carrière de tout physicien, même s'il y travaillait, la fusion froide n'est absolument pas accessible aux investisseurs aujourd'hui.

L'eau lourde est un très petit marché, avec seulement 161 millions de dollars échangés dans le monde (et un peu plus produit localement), et le Canada est le plus grand exportateur. Un fournisseur privé est le géant des équipements de laboratoire et des consommables Sigma-Aldrich, qui fait partie de Merck KGaA (MRK.DE).

Actuellement, aucune des sociétés dédiées à rendre la fusion nucléaire chaude commercialement viable n’est non plus cotée en bourse. Ceci comprend Hélion, Fusion générale, Fusion du Commonwealth, Technologies Thé, ZAP Énergie, et NÉO Fusion.

Vous pouvez trouver un liste complète des startups dans le domaine de la fusion nucléaire sur la page dédiée de Dealroom.

Une exception notable aux startups cotées en bourse qui dominent le domaine est la société cotée en bourse. Lockheed Martin Corporation, un géant de l’industrie de défense.

1. Lockheed Martin Corporation

Depuis le début des années 2010, Lockheed travaillait sur Fusion compacte, un réacteur à fusion nucléaire qui devrait être prêt d’ici les années 2020. Cependant, il a depuis été annoncé que les travaux sur le projet auraient été arrêtés en 2021.

L'entreprise s'est montrée très discrète sur ce projet après une première annonce très enthousiaste. À ce jour, on ne sait pas exactement ce qui a pu pousser l’entreprise à abandonner cette idée.

Dans le même temps, il semble qu’il n’ait pas complètement abandonné le concept, notamment avec des investissements en 2024 dans Helicity, une startup développant un moteur à fusion.

L’idée serait de propulser des vaisseaux spatiaux avec de courtes explosions de fusion. Helicity prévoit d'utiliser un pistolet à plasma, la même approche que celle adoptée par General Fusion.

Potentiellement, les propres résultats internes de Lockheed ont montré que leur conception ne pouvait pas soutenir la fusion d'une manière compatible avec la production d'énergie.

Mais peut-être qu’en même temps, de courtes rafales suffisent à répondre aux besoins de propulsion dans l’espace et sont bien plus proches de devenir un véritable produit. Cela correspondrait également mieux au profil global de l’entreprise axé sur l’aérospatiale et la défense.

2. Fusion générale

General est l’une des startups qui ont pris la tête de faire de la fusion une entreprise du secteur privé, plutôt qu’un projet de physique financé par l’État.

La société a été créée dès 2002 pour développer la technologie Magnetized Target Fusion (MTF).

L’entreprise s’attend à ce que MTF soit un chemin plus court vers une fusion à énergie positive et qu’il soit beaucoup moins coûteux. General Fusion a été le premier au monde à construire et à mettre en service un injecteur plasma toroïdal compact à l'échelle d'une centrale électrique en 2010 et a franchi de nombreuses autres étapes depuis.

Source : Fusion générale

L'entreprise vise à atteindre une fusion avec une température de 100 millions de degrés Celsius en 2025 et à progresser vers l'équilibre énergétique (rendement positif de la fusion nucléaire) en 2026. Avant cela, un 1/5^th le modèle réduit a été fabriqué en 2023 et ses performances correspondaient aux attentes des modèles informatiques.

Dans l'ensemble, General Fusion a passé 2 décennies à construire étape par étape chacune des technologies de base de sa conception finale, en les testant chacune en cours de route et en validant avec succès l'idée, du moins jusqu'à présent.

Source: Fusion générale

En tant qu’entreprise privée, elle n’a pas eu à discuter ni négocier de modification de conception, contrairement aux projets internationaux comme ITER. Elle pourrait également choisir une technologie selon ses propres mérites, sans avoir à décider si un pays spécifique devrait obtenir le contrat, quelle que soit la raison politique.

C’est pourquoi beaucoup s’attendent à ce que General Fusion et quelques-uns de ses concurrents gèrent ce que les grands projets gouvernementaux ne pourraient pas gérer.

3. Technologies TAE

Anciennement connue sous le nom de Tri Alpha Energy, la société californienne se concentre sur le développement de technologies liées à l’énergie de fusion. TAE Technologies met actuellement à niveau sa plateforme de fusion, Norman, vers une machine de sixième génération appelée Copernicus.

Source: APR

La technologie TAE s’appuie sur des accélérateurs de particules pour injecter de l’énergie dans le plasma et « agir comme un agent épaississant qui le rend plus maniable ».

La société utilise également largement l’impression 3D dans la fabrication de Copernicus, permettant des itérations rapides de nouvelles pièces et une résolution plus rapide des problèmes. Par exemple, elle a réussi à imprimer certains composants de réacteurs pour un poids deux fois moins lourd que celui qu’aurait obtenu une fabrication conventionnelle.

Source: APR

Si tout se passe bien, l’entreprise prévoit de construire son premier prototype de centrale électrique qui pourrait se connecter au réseau au début des années 2030, et qui serait étendu pour développer une énergie commerciale « robuste et fiable » au cours de la décennie.

Fusion, selon son PDG Michel Binderbauer, nous entraînerait dans un « paradigme de l’abondance ».

Au cours des 25 dernières années, la société a fonctionné selon un modèle « argent par étape », dans lequel chaque cycle de financement est obtenu uniquement auprès des investisseurs en fonction de la réalisation des étapes qui leur ont été promises.

En 2022, Google et Chevron ont investi dans TAE Technologies dans le cadre d'une levée de fonds de 250 millions de dollars de l'entreprise. Google est en partenariat avec TAE depuis une décennie maintenant et fournit à l'entreprise une IA et une puissance de calcul.

La société propose également services des sciences de la vie (Thérapie de capture de neutrons au bore -BNCT) et solutions d'alimentation telles que les batteries et la mobilité électrique.

4. Hélion

Helion vise à créer une fusion avec le deutérium et l'hélium-3, au lieu de l'approche plus courante consistant à se concentrer sur la fusion avec le tritium.

Normalement, l’hélium-3 est très difficile à trouver. Mais Helion dispose d'une méthode pour le produire à partir de deutérium dans son propre réacteur. Sinon, des alternatives non éprouvées, comme l’exploitation minière sur la Lune, auraient probablement été nécessaires.

Comme la plupart des entreprises privées de fusion, Helion utilise la technologie d’injection de plasma.

Une autre caractéristique unique d'Helion est de cibler la capture directe de l'électricité du plasma, en utilisant la loi de Faraday pour induire un courant, sautant directement le cycle de chauffage à la vapeur courant dans les centrales nucléaires.

Cette décision est plutôt audacieuse, mais pourrait également augmenter de 2 à 3 fois le rendement des futures centrales électriques, car la conversion de la chaleur en vapeur en électricité se fait généralement avec un très faible rendement. Il s’agit également d’une procédure très coûteuse en investissements.

La centrale à fusion d'Helion devrait avoir un coût de combustible négligeable, de faibles coûts d'exploitation, une durée de disponibilité élevée et un coût d'investissement compétitif. Nos machines nécessitent un coût d'équipement bien inférieur, car nous pouvons réaliser la fusion de manière très efficace et ne nécessitent pas de grandes turbines à vapeur, de tours de refroidissement ou d'autres exigences coûteuses des approches de fusion traditionnelles.

Helion opère actuellement Trente, il est 6^th réacteur de génération qui a atteint plus de 10,000 100 impulsions et des températures de XNUMX millions de degrés Celsius.

Source: Hélion

Il déménage actuellement vers Polaris, son prochain modèle devrait avoir des impulsions magnétiques 100 fois plus rapides que Trenta, ce qui en ferait la première fusion nucléaire à produire un gain net d'électricité.

Il est à noter que Polaris mesurerait 19 m de long, ce qui est loin d'être une installation géante comparée à d'autres modèles de réacteurs à fusion plus classiques.