D'ici 2029, le gouvernement fédéral investira plus de 2 milliards d'euros dans la recherche sur la fusion. L'institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT à Aix-la-Chapelle est un précurseur. Dans des projets de recherche collaborative, il explore et développe avec des partenaires de l'industrie et de la recherche des solutions pour les futures centrales à fusion. Il s'agit de construire des chaînes d'approvisionnement efficaces ainsi que de développer des procédés pour une production de masse automatisée. À l'international, l'institut collabore notamment étroitement avec le Lawrence Livermore National Laboratory. Sa National Ignition Facility a pu, avec le plus grand laser au monde, déclencher à plusieurs reprises un plasma de fusion et obtenir des excédents d'énergie en constante augmentation. Des effets de débordement se dessinent dans le développement de la technologie des centrales, qui pourraient donner à la photonique accès à de nouveaux marchés d'application.
Depuis décembre 2022, la recherche sur la fusion est en plein essor dans le monde entier. Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont réalisé à l'époque une percée historique dans la National Ignition Facility (NIF) en Californie. Pour la première fois, une fusion inertielle (IFE) déclenchée à l'aide d'un laser haute énergie a libéré plus d'énergie que celle que le laser avait concentrée sur un pellet de combustible de fusion de la taille d'une tête d'épingle. Depuis, le LLNL a répété l'expérience plusieurs fois avec un excédent d'énergie croissant. Il est donc clair que la physique sous-jacente fonctionne.
La vision de la source d'énergie climatique neutre et presque illimitée de la fusion est plus tangible que jamais. De plus, les installations IFE sont intrinsèquement sûres, car le plasma ne s'enflamme qu'à une pression énorme et à des températures d'environ 150 millions de °C. Sans apport de combustible et impulsions d'allumage, la fusion s'éteint immédiatement. Car ce n'est que dans ces conditions extrêmes que les noyaux repoussants des isotopes d'hydrogène deutérium et tritium peuvent surmonter le mur de Coulomb et fusionner. Pour un fonctionnement continu de la centrale, il faut compresser, transformer en plasma et allumer 10 à 15 pellets par seconde avec des impulsions de laser haute énergie. Maintenue ainsi, la fusion produit de l'énergie de base à grande échelle : seulement 1 kg de combustible de fusion contient autant d'énergie que 22 500 t de lignite, ce qui équivaut à la charge d'un train de marchandises de 6 km de long. Dans tout l'univers, aucune matière connue n'a une densité énergétique similaire.
Le gouvernement allemand investit plus de 2 milliards d'euros dans la recherche sur la fusion
En tant que source d'énergie climatique neutre et capable de fournir une base, la fusion peut devenir un complément important des futurs systèmes énergétiques, où l'électricité éolienne et solaire, moins chère mais volatile, couvre la majeure partie des besoins. Selon les prévisions de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la demande d'électricité dans le monde augmentera de 2,5 fois d'ici le milieu du siècle, atteignant 70 pétawattheures (PWh) par an. Pour couvrir un dixième de cela, il faudrait presque 1 000 centrales à fusion. Un marché futur pour la photonique se dessine ici, dépassant de loin son volume d'affaires actuel.
Les gouvernements et les investisseurs privés ont reconnu l'opportunité et dirigent d'importantes sommes de fonds de soutien et de capital-risque vers ce domaine d'avenir. Actuellement, il ne s'agit pas seulement de développer les technologies de base pour de telles centrales, mais aussi de construire des chaînes d'approvisionnement efficaces et de développer des procédés pour la fabrication hautement automatisée en masse des composants de centrales. C'est là que la recherche appliquée de la société Fraunhofer entre en jeu.
Il reste encore d'énormes défis technologiques et opérationnels sur la voie des centrales commerciales. De plus, il existe une autre approche prometteuse avec la fusion magnétique (MFE). Le gouvernement fédéral soutient les deux approches dans le programme « Fusion 2040 ». Son budget a récemment été porté par le ministère fédéral de la recherche, de la technologie et de l'espace (BMFTR) à plus de 2 milliards d'euros d'ici 2029. Pour la photonique, c'est une bonne nouvelle : les lasers haute énergie et haute performance, les optiques, les capteurs et la technologie de fabrication laser hautement flexible sont considérés non seulement comme des technologies clés pour les centrales IFE, mais aussi pour le développement, la construction et l'exploitation des complexes réacteurs Tokamak et Stellarator pour la fusion magnétique.
L'installation d'essai américaine n'est qu'un modèle - le chemin vers la centrale à fusion est long
Le Fraunhofer ILT fait partie des précurseurs de la recherche sur la fusion. Avec des partenaires de l'industrie et de la recherche (plus de 20 instituts de la société Fraunhofer sont actifs dans ce domaine de recherche), il développe dans des projets nationaux et internationaux des bases technologiques pour les centrales à fusion. Ces consortiums de recherche collaborative sont des cellules germinales des chaînes d'approvisionnement nécessaires de toute urgence. Les projets portent sur la modélisation et la simulation réalistes de composants, de sous-systèmes jusqu'aux centrales complètes, ainsi que sur le développement d'optique robustes et de lasers de pilotage pour ces lasers haute énergie qui doivent déclencher le plasma de fusion dans les centrales IFE du futur à une fréquence de 15 Hertz. Pour atteindre une telle fréquence, seuls des lasers à solide pompés par diodes (DPSSL) complexes sont envisageables.
Le laser de l'installation d'essai en Californie est basé sur 192 chemins de faisceau, dans lesquels des plaques de verre pompées par des lampes au flash amplifient les impulsions laser. Pour cela, les photons interagissent avec des électrons dans des plaques de verre cristallin. Le niveau d'énergie d'une impulsion initiale de nanojoules augmente dans la mesure où l'on amplifierait un coup normal de la main au niveau d'un fort tremblement de terre. Ce pompage se fait dans la plage des longueurs d'onde infrarouges.
L'impulsion répartie sur 192 chemins de faisceau est ensuite convertie en longueurs d'onde verte et bleue - et devient des rayons X ultracourts lorsque les 192 faisceaux frappent synchroniquement la cible avec plus de 2 mégajoules d'énergie d'impulsion combinée. L'impulsion d'allumage atteint pendant quelques nanosecondes la même puissance que l'ensemble du réseau électrique américain. Par conséquent, d'énormes condensateurs sont nécessaires pour stocker l'énergie électrique requise. Et après le tir, le système doit refroidir pendant des heures. Pour les lasers haute énergie des centrales futures, cela est impensable. Ils doivent fournir jusqu'à 15 tirs par seconde avec une efficacité élevée. Le rendement de la conversion de l'énergie électrique en énergie optique doit augmenter de 10 à 15 fois par rapport à la NIF. Contexte : l'installation d'essai californienne n'a jamais été conçue pour la production d'énergie, mais pour la recherche sur le plasma.
Les projets de soutien développent une base photonique pour les centrales à fusion
Les DPSSL sont des composants clés pour les centrales IFE. Au lieu d'être pompés par des lampes à éclairs, ils le sont par des diodes laser à haute performance efficaces. Dans le projet de financement BMFTR DioHELIOS, le Fraunhofer ILT collabore au sein d'un large consortium dédié au développement des diodes laser à haute performance nécessaires en masse. En plus de la modélisation des diodes, il s'agit de leur intégration dans des modules activement refroidis avec des lentilles de collimation jusqu'à la conception de chaînes de fabrication hautement automatisées.
Les objectifs sont ambitieux : l'énergie de pulsation réalisable avec les modules de pompage à diodes devrait augmenter d'un facteur 50 avec une efficacité améliorée et des propriétés spectrales plus homogènes et stables. De plus, il est nécessaire de réduire le coût des modules laser à diodes à moins d'un centime par watt de puissance grâce à une fabrication de masse entièrement automatisée. Ce serait moins d'un quarantième de leurs coûts actuels. Cela ne doit cependant pas se faire au détriment de la qualité : car le matériel fortement sollicité doit durer 30 ans en exploitation de centrale. L'ampleur du défi se manifeste également dans le fait que la production mondiale annuelle actuelle de diodes à haute performance ne couvre même pas le besoin d'une seule centrale IFE. Avec ses partenaires du consortium DioHELIOS, le Fraunhofer ILT recherche déjà des solutions concrètes.
DioHELIOS est l'une des mesures du programme « Fusion 2040 ». Dans le projet étroitement lié PriFUSIO, un consortium dirigé par le Fraunhofer ILT travaille sur les composants optiques clés des lasers à haute énergie pour les centrales de fusion. « Il s'agit de leur développement systématique et de leur validation », explique Dr. Sarah Klein, coordinatrice de la recherche sur la fusion à la Fraunhofer-Gesellschaft. Le projet se consacre à de nouvelles méthodes de fabrication, de revêtement et de contrôle de qualité des lentilles, des réseaux optiques ainsi qu'à la simulation et au développement des plaques amplificatrices, qui, en interaction avec des diodes laser à haute performance, doivent amplifier les impulsions d'allumage dans la plage des mégajoules. « Tous les composants optiques doivent résister à l'exploitation de la centrale 24/7. Pour cela, il faut notamment augmenter considérablement leurs seuils de destruction », dit-elle. De plus, de nouvelles approches sont nécessaires pour produire de manière économique les optiques, au départ nécessaires en faible quantité, parfois très grandes. Le Fraunhofer ILT poursuit également une approche prometteuse à cet égard : des chaînes de processus basées sur le laser pour la mise en forme, le polissage et le post-traitement. Comparé aux méthodes mécaniques, l'outil laser introduit dès le départ moins de microfissures et de défauts dans les composants optiques, ce qui augmente leur robustesse et leur durée de vie.
Dans les projets « IFE-Targetry-HUB » et « Durable », des équipes du Fraunhofer ILT participent également en première ligne au développement de technologies clés pour les centrales de fusion. « Durable » s'occupe de la simulation et du développement de processus pour la fabrication additive de composants muraux côté plasma. En exploitation de centrale 24/7, des neutrons libérés par la fusion frappent en continu les murs. Leur énergie cinétique est transférée aux murs à un fluide de refroidissement, qui s'évapore et entraîne une turbine. Des éléments muraux spéciaux sont également nécessaires, dans lesquels les neutrons servent à extraire l'isotope d'hydrogène tritium du lithium. « Pour façonner les alliages de tungstène extrêmement robustes et résistants à haute température des murs, des procédés de fabrication additive basés sur le laser sont appropriés », explique Klein. Le Fraunhofer ILT a inventé et breveté l'impression 3D métallique – et l'a depuis systématiquement développée. L'IA joue également un rôle de plus en plus important, tout comme dans le soudage laser à haute vitesse extrême EHLA, également conçu et breveté à l'institut. « Les deux procédés additifs ont un grand potentiel pour la fabrication de composants de centrale », dit-elle.
Les procédés assistés par laser pour la fabrication des cibles de combustible sont tout aussi pertinents. Lorsque les centrales de fusion s'allument jusqu'à 1,3 million de fois par jour à une fréquence de 15 Hz, les coûts des cibles doivent diminuer d'ordres de grandeur jusqu'à atteindre le niveau du centime. Les chercheurs du Fraunhofer ILT s'attaquent également à ce défi dans le projet « IFE-Targetry-HUB ». Dans la recherche sur la fusion, de nombreux fils se rejoignent, que l'institut a captés et développés au cours des dernières décennies. Maintenant, ce travail préparatoire porte ses fruits. « Nos projets se situent au point de travail typique de Fraunhofer : il s'agit de repenser les technologies et de les transférer de la recherche à l'application industrielle concrète », dit la coordinatrice de la recherche sur la fusion.
Comprendre les lasers à haute énergie depuis le début
Les lasers à haute énergie des futures centrales IFE auront probablement des centaines de longueurs de faisceau parallèles. Des milliers de barres de diodes laser à haute performance pomperont des plaques amplificatrices en verre ou en cristal spéciaux pour augmenter les impulsions au niveau d'énergie requis pour l'allumage. De tels lasers complexes ne peuvent pas être réalisés par une approche d'essai et d'erreur. Il faut plutôt des méthodes computationnelles pour les tester et les optimiser virtuellement avant la construction de prototypes. Des prototypes virtuels des composants, des sous-systèmes et finalement des lasers à haute énergie complets permettent aux chercheurs d'explorer leurs fonctions et de les simuler de manière réaliste en fonctionnement virtualisé. Au cours des dernières années, le Fraunhofer ILT a réalisé des modèles de simulation laser hautement développés pour la conception, le développement et l'échelle industrielle des DPSSL. Il les soumet maintenant à un test décisif en les comparant dans le projet « ICONIC-FL » avec des solutions comparables du LLNL.
L'institut américain est spécialisé dans la simulation et la construction de lasers à haute énergie, tandis que le Fraunhofer ILT se spécialise dans les DPSSL à haute puissance moyenne. Les deux partenaires apportent donc un savoir-faire complémentaire. « Ce projet ne vise pas à fusionner nos modèles de simulation ou à échanger des codes », souligne Johannes Weitenberg, chef de projet du côté du Fraunhofer ILT. Au contraire, les deux instituts souhaitent apprendre les uns des autres et valider leurs résultats de simulation pour la prochaine génération de DPSSL pour les centrales de fusion en les soumettant à une validation croisée indépendante. Pour cela, ils simuleront chacun, avec leurs solutions, les niveaux d'amplification des lasers à haute énergie. Ils souhaitent ainsi comprendre les effets physiques complexes : « En fonctionnement 24/7, le chauffage, les effets de réfraction et les aberrations peuvent déformer le faisceau laser. Même les plus petits effets ont leur importance et peuvent entraîner des pertes d'efficacité ou même des dommages directs à l'optique », dit Weitenberg. Ils veulent comprendre exactement ce qui se passe dans chaque plaque amplificatrice pour pouvoir ensuite simuler des empilements de plaques complexes.
En fin de compte, la recherche actuelle sur la fusion vise à forcer des avancées technologiques par des approches multidisciplinaires. L'exemple du NIF montre ce qui est possible : grâce à un savoir-faire scientifique et technique ainsi qu'à une optimisation des processus basée sur des simulations et de l'IA, il a été possible d'augmenter le surplus d'énergie de la fusion de 1,5 fois à 4 fois l'énergie apportée par le laser. Ce facteur doit maintenant être porté à un facteur de 50 à 100 avec des lasers à haute énergie spécifiquement optimisés pour les centrales IFE.
Les lasers à haute énergie ne sont pas seulement intéressants pour la fusion.
Le grand projet de centrale à fusion nécessite une coopération étroite entre l'industrie et la recherche. Les programmes de financement publics peuvent établir des bases technologiques, mais à long terme, les entreprises doivent investir et établir des chaînes d'approvisionnement. Pour les innovations, cela signifie qu'elles ne doivent pas seulement être orientées vers l'objectif lointain de la centrale à fusion, mais aussi vers d'autres marchés d'application. Par exemple, pour établir la capacité de production nécessaire pour des diodes laser haute performance et réduire leurs coûts grâce aux économies d'échelle au niveau requis, de nouvelles applications doivent être explorées. « Notre institut soutient l'industrie avec un savoir-faire accumulé pendant plus de 40 ans », explique Klein.
Les premiers effets de débordement se font déjà sentir. Ainsi, le projet PriFUSIO a donné naissance à une nouvelle génération de plaques de verre quartz synthétique, qui sont intéressantes non seulement pour la fusion, mais aussi pour d'autres applications de lasers haute performance dans le domaine du proche infrarouge – y compris la découpe et le soudage au laser. Le fabricant Heraeus Covantics a optimisé le procédé de fabrication tant en termes de performance que de coûts. De plus, il offre une plus grande flexibilité en ce qui concerne les tailles de plaques. Le nouveau matériau se caractérise par une très faible absorption et une haute densité de puissance.
Il existe également une demande pour des lasers haute énergie en dehors de la fusion : en tant que moteurs pour des sources secondaires, ils devraient ouvrir de nouvelles voies pour la génération de rayonnement ultraviolets extrêmes (EUV), de rayons X ou de rayonnement neutronique. Parmi les applications prometteuses figure l'imagerie combinée par rayons X et neutrons, que le Fraunhofer ILT développe actuellement dans le cadre du projet collaboratif PLANET. Cela devrait permettre des analyses optiques et matérielles du contenu de fûts et de conteneurs scellés à travers leurs parois. Les sources de faisceau laser sont la clé pour miniaturiser les accélérateurs de particules nécessaires et les intégrer dans des dispositifs compacts, éventuellement même mobiles à l'avenir. « Beaucoup de choses sur lesquelles nous travaillons dans la recherche sur la fusion sont pertinentes pour de nombreux marchés. Nous ne travaillons pas seulement sur une centrale ! », souligne Klein. La fusion représente une grande opportunité pour l'industrie du laser et de l'optique en Allemagne et en Europe. Si le succès commercial de la fusion laser tarde plus que prévu, l'industrie pourrait explorer de nouveaux marchés grâce aux avancées technologiques réalisées dans la recherche sur la fusion. Si cela réussit, une seule centrale nécessiterait la production mondiale annuelle actuelle de diodes laser haute performance ainsi que des dizaines de milliers de grandes optiques. Même avec des estimations conservatrices, le volume d'affaires actuel du marché mondial du laser se multiplierait soudainement.
Fusion au AKL'26
Compte tenu de telles perspectives, l'AKL – Congrès international sur la technologie laser (22 – 24 avril 2026 à Aix-la-Chapelle) mettra en lumière le potentiel économique et technologique du marché futur de la fusion lors de différentes sessions. Lors de la session Gerd Herziger le 23 avril 2026, le Prof. Constantin Häfner donnera dans sa présentation « Laser Power Unleashed : moteurs pour l'énergie de fusion et écosystèmes industriels » un aperçu actuel de l'état de la recherche sur la fusion et du statut des chaînes d'approvisionnement nécessaires. Le directeur de la recherche et du transfert de la société Fraunhofer est un expert reconnu en fusion et a été responsable du développement de lasers haute énergie au LLNL, avant d'avoir donné des impulsions importantes à la recherche sur la fusion en Allemagne en tant que directeur du Fraunhofer ILT et conseiller du gouvernement. Il participera également au débat lors de la session.
Ensuite, la session 4, Sources de faisceau laser II, fournira des aperçus techniques approfondis sur le développement de lasers à haute énergie pour la fusion et les sources secondaires. Dans la session 7 - Sources de faisceau laser III le 24 avril, qui traite des lasers à impulsions ultracourtes, le créneau dirigé par Dr. Sarah Klein intitulé « Laser à diodes » traitera des lasers à semi-conducteurs pour les centrales de fusion du futur.
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