énergie

Ca chauffe autour de la fusion nucléaire

Deux nouvelles percées scientifiques concernant les réacteurs à fusion mettent en lumière les progrès effectués dans ce domaine

Tokamak contre Stellarator: ce pourrait être un duel digne des classiques du «kaiju eiga», les «films de monstres» japonais. Il n’en est rien: il s’agit en fait du nom de deux technologies de réacteurs actuellement à l’étude pour reproduire et maîtriser la fusion nucléaire, la réaction qui fait briller les étoiles.

Toutes deux viennent récemment de faire parler d’elles. Deux expériences reposant sur un tokamak en Chine et un stellarator en Allemagne, ont réussi à générer et maintenir pendant un certain laps de temps deux plasmas extrêmement chauds, étape cruciale pour établir la réaction de fusion.

Soleil de synthèse

Pour recréer ce qui se passe au cœur du Soleil, il faut fusionner deux atomes lourds d’hydrogène, le deutérium et le tritium, ce qui libère une quantité phénoménale d’énergie. Comme pour deux amoureux, la rencontre doit se faire dans des conditions favorables. A cette fin, les physiciens créent donc un plasma, un «quatrième état de la matière dans lequel les atomes perdent leurs électrons», comme le dit Yves Martin, adjoint du directeur du Swiss Plasma Center à l’EPFL. Les électrons arrachés ne vont pas bien loin: on qualifie souvent le plasma de «soupe» constituée des noyaux des atomes et des électrons.

Lire: L’EPFL et la Suisse, acteurs-clés de la recherche sur la fusion

La suite de la recette? La soupe doit être chauffée à quelque 100 millions de degrés, soit 7 fois plus chaud que la température du cœur du Soleil. Pour confiner ces plasmas infernaux sans subir de dommages, deux types d’enceintes ont vu le jour: les tokamaks et les stellarators. Ces instruments impressionnants utilisent des champs magnétiques à haute intensité pour maintenir le plasma en place.

Une vue en coupe du tokamak ITER ITER

Inventé dans les années 1950, le tokamak a une forme de gros donut. Plus avancée, cette technologie de confinement est celle qui a été retenue pour la construction d’ITER, le projet international de réacteur à fusion qui doit être construit en France.

Une vue intérieure du plus grand tokamak du monde, JET, au Royaume-Uni

Des physiciens du tokamak EAST, à Hefei en Chine sont parvenus début février à maintenir un plasma de 50 millions de degrés durant 102 secondes. Une telle température est régulièrement atteinte dans les tokamaks. «Des plasmas de 170 millions de degrés ont déjà été créés dans le tokamak TCV à l’EPFL», fait remarquer Yves Martin. Le maintenir aussi longtemps est en revanche une belle performance. «Il semblerait que cette équipe soit parvenue à maîtriser le moyen de maintenir le courant dans le plasma, c’est de bon augure pour les recherches sur ITER» se réjouit le physicien, qui rappelle que la Chine fait partie du consortium.

Lors de l'expérience au tokamak EAST Institute of Physical Science

Bobines tordues

A l’autre bout du monde, c’est la technologie cousine du tokamak, le stellarator, qui a récemment été sous le feu des projecteurs. A Greifswald en Allemagne, le stellarator Wendelstein 7X (W7X) a créé un plasma d’hydrogène de 100 millions de degrés, le 3 février dernier. Le tout sous les yeux d’Angela Merkel, par ailleurs physicienne de formation. Le phénomène a duré moins d’une seconde, mais il s’agissait des premiers plasmas créés dans cette machine.

Un stellarator ressemble aussi à un donut, mais écrasé. Sa particularité: d’étranges bobines tordues l’entourent, ce sont elles qui génèrent les champs magnétiques de confinement. «Le W7X possède une cinquantaine de bobines à la géométrie complexe, explique Yves Martin. Elles donnent l’impression d’une forme cabossée, mais derrière cette apparente anarchie se cachent un ordre et une symétrie complexes».

Un stellarator, avec ses bobines tordues (en bleu). Le plasma est confiné dans la partie jaune. IPP

Cette géométrie biscornue complique énormément la construction des stellarators. Mais en contrepartie, les plasmas obtenus sont beaucoup plus stables, signale Yves Martin. Difficile à construire, facile à utiliser: voilà comment résumer l’essence du stellarator.

Dans cette expérience les physiciens de l’Institut Max Planck de physique des plasmas ont bombardé les atomes d’hydrogène lourd avec des micro-ondes. Résultat, les électrons se sont mis à chauffer jusqu’à 100 millions de degrés et ont ensuite, par transfert de chaleur, chauffé les atomes aux alentours à 15 millions de degrés.

«Disons que le W7X est allé au-delà de nos attentes les plus raisonnables», indique, de passage à l’EPFL Thomas Klinger, le chef de l’expérience. Si cela n’a duré qu’une fraction de seconde, explique-t-il, c’est parce que des particules du plasma sont passées à travers le champ magnétique: elles ont alors arraché des atomes métalliques de la paroi du stellarator qui ont vampirisé l’énergie du plasma et l’ont fait effondrer. «Comme n’importe quel isolant, le champ magnétique n’est pas totalement imperméable, il y a toujours des particules qui passeront au travers. Tout l’enjeu est donc d’améliorer ce point.»

Lequel de ces deux donuts parviendra le mieux à confiner ces plasmas? La feuille de route sur la fusion nucléaire établie par l’Union européenne prévoit de toute façon le développement des deux technologies, qui sont loin d’êtres des concurrentes. Le Stellarator a pour objectif, après quelques extensions (notamment l’installation de systèmes de refroidissement liquide), le maintien d’un plasma durant 30 minutes. Quant à ITER, après sa construction d’ici 2020, le plus grand tokamak au monde devra prouver la faisabilité technique de la fusion nucléaire (les tokamaks expérimentaux actuels ne produisant pas d’électricité). Avant la mise en service d’un premier réacteur commercial, DEMO, d’ici 2050. La fusion, une énergie illimitée et ne produisant pour ainsi dire presque aucun dechet, n'a jamais ete aussi proche.

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