Nouveaux miroirs haute performance pour la fusion par laser

Un chercheur tient un miroir hautement réfléchissant pour des applications laser. La technologie doit être optimisée pour la fusion par laser. © Fraunhofer IOF / Un chercheur tient un miroir hautement réfléchissant pour des applications laser. La technologie doit être optimisée pour la fusion par laser. © Fraunhofer IOF

Les centrales de fusion laser-guidée sont considérées comme une technologie clé sur la voie vers la neutralité climatique. Pour ces centrales de fusion, des systèmes de miroirs à haute réflexion et thermiquement stables sont essentiels pour transporter la lumière laser de la source jusqu'à la petite bille de combustible. Dans le nouveau projet de recherche SHARP, de nouveaux miroirs haute performance sont développés à cette fin. Le projet est financé à hauteur de 8,4 millions d'euros par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF).

Le but du projet collaboratif SHARP (« Réflecteurs haute puissance évolutifs pour Petawatt ») est de développer une nouvelle génération de miroirs laser à haute réflexion, capables de répondre aux exigences extrêmes des futurs réacteurs de fusion laser Petawatt. À cette fin, des systèmes de miroirs optiques à haute performance, de grande surface et refroidés en interne, doivent être développés, ce qui n'existe pas encore à ce jour.

« Le projet SHARP doit conduire à de nouvelles technologies de fabrication permettant de produire des miroirs de grande surface avec des propriétés innovantes », explique le Dr Yakup Gönüllü de SCHOTT. Il coordonne le nouveau projet collaboratif, qui a officiellement débuté avec une réunion de lancement le 4 mars et qui a une durée de trois ans. « Ces miroirs haute performance constituent une contribution indispensable à la réalisation de centrales de fusion laser commerciales en fonctionnement fiable à long terme », poursuit Gönüllü.

Le projet de recherche a un volume total de 10,4 millions d'euros, dont 8,4 millions d'euros sont financés dans le cadre de l'initiative « Technologies de base pour la fusion – sur la voie d'une centrale de fusion » du BMBF.

Nouvelles technologies de fabrication pour le fonctionnement en continu des centrales laser commerciales

Les travaux antérieurs sur les systèmes de miroirs laser n'ont pas pris en compte l'aspect thermique. À l'avenir, l'apport d'énergie thermique induit par l'absorption dans les systèmes de miroirs sera déterminant dans le fonctionnement continu des centrales de fusion laser. Les propriétés clés des miroirs haute performance développés dans le cadre du projet sont donc une qualité optique exceptionnelle ainsi qu'une gestion thermique innovante pour les composants optiques utilisés.

Outre la stabilité thermique des nouveaux miroirs, la scalabilité de la technologie est également un facteur central du projet. Des processus de fabrication efficaces doivent contribuer à la rentabilité, à l'équilibre écologique et donc à la commercialisation des centrales de fusion laser.

Développement des bases scientifiques et techniques

Pour atteindre cet objectif, le consortium SHARP doit développer les bases scientifiques et techniques pour de nouvelles technologies de fabrication d'optique superpolie, courbée et de grande surface, ainsi que des méthodes pour éliminer les zones de substrats imparfaits et des stratégies de nettoyage « zéro erreur ». Pour la stabilisation thermique et le refroidissement actif, de nouvelles structures de refroidissement intégrées dans des substrats en verre et des effets thermomécaniques seront intégrés dans le développement des couches.

« Le défi consiste à faire en sorte que les miroirs laser résistent à des contraintes extrêmes sur de longues périodes », explique le Dr Nadja Felde, coordinatrice du projet au Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF à Jena. « L'aspect principal de ce projet de recherche est donc la compréhension et le contrôle des propriétés thermiques des systèmes de miroirs de grande surface dans la conception et la fabrication, tout en maintenant une réflectivité au plus haut niveau. »

Potentiels d'application au-delà de la fusion laser

Prof. Dr. Thomas Höche de l'Institut Fraunhofer pour la Microstructure des Matériaux et des Systèmes IMWS à Halle (Saale) complète : « Au-delà de la fusion laser, les développements visés ont un grand potentiel pour des applications dans d'autres marchés futurs, notamment pour les lasers haute puissance et le traitement laser des matériaux, mais aussi dans l'aérospatiale ainsi que pour la prochaine génération de substrats et de revêtements pour la lithographie EUV. »

Partenaires industriels et de recherche dans le projet « SHARP »

Le consortium SHARP est coordonné par SCHOTT AG et rassemble des entreprises et instituts de premier plan dans le domaine de la chaîne de processus optique, notamment LAYERTEC GmbH, asphericon GmbH, 3D-Micromac AG, optiX fab GmbH, Cutting Edge Coatings GmbH, robeko GmbH & Co. KG, Laser Zentrum Hannover e.V., ainsi que le Fraunhofer IOF et le Fraunhofer IMWS.

Fusion laser : une énergie propre par fusion de noyaux atomiques

La fusion laser s'inspire de la nature : tout comme ce qui se passe sur le Soleil, il s'agit de produire de l'énergie par la fusion de noyaux atomiques. Dans une centrale de fusion laser, plusieurs lasers haute puissance sont dirigés vers une capsule de combustible pour la faire vaporiser à des températures extrêmes, puis pour fusionner les noyaux atomiques sous haute pression.

Ce processus implique des forces énormes : le rayonnement laser dans une centrale de fusion se déplace dans une gamme de plusieurs petawatts. Pour comparaison : un petawatt équivaut à 1 000 000 000 000 000 de watts. Une centrale au charbon ou au gaz a une puissance de 1 000 000 000 watts, un bouilloire électrique classique 2 000 watts.

Les faisceaux laser sont dirigés via des systèmes de miroirs spéciaux, qui doivent posséder des propriétés optiques, mécaniques et thermiques exceptionnelles. Une combinaison des propriétés requises n'a jusqu'à présent pas pu être réalisée. Le consortium souhaite changer cela dans le nouveau réseau de recherche SHARP en développant de nouvelles technologies de fabrication et en réalisant des miroirs laser innovants pour une utilisation dans la gamme du petawatt.