Une vue de l'intérieur du tokamak Alcator C-Mod du MIT. La machine a battu son record du monde pour la pression du plasma dans un tokamak lors de son chant de cygne. © Plasma Science and Fusion Center

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Fusion contrôlée : non, le tokamak chinois n’est pas le premier à atteindre 100 millions °C

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La Chine a fait savoir qu'avec son tokamak Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) elle avait atteint une température de 100 millions de degrés avec un temps de stabilité pour le plasma confiné de l'ordre de 100 secondes. Une performance remarquable et nouvelle pour ce que l'on appelle le mode H de confinement, mais des chiffres déjà atteints il y a des décennies par les États-unis et l'Europe.

Les défis pour l'énergie au XXIe siècle sont si monstrueux par rapport à la contrainte du réchauffement climatique que l'Humanité ne peut pas se permettre de ne pas se lancer dans la course à la production industrielle d'électricité avec des réacteurs à fusion contrôlée. Et nous l'espérons disponible à l'horizon 2050 grâce à Iter et son successeur Démo. Hélas, sauf percées révolutionnaires et inattendues, elle arrivera trop tard pour éviter une catastrophe si nous ne disposons pas avant de sources d'énergies massivement décarbonées pour l'électricité. Comme le pense nombre de climatologues du Giec et d'experts, nous n'arriverons pas mondialement à relever ces défis sans une part importante, et même croissante, d'énergie à base de fission nucléaire. Une affirmation récemment rappelée notamment avec force par François-Marie Bréon, directeur adjoint du laboratoire des sciences du climat et de l'environnement de l'Institut Pierre-Simon Laplace.

Il est naturel de penser que d'autres réacteurs à fusion contrôlée sont peut-être possibles et que l'on pourra les développer bien avant l'horizon 2050. Certains pourraient donc croire que la récente annonce faite par l'Institut de sciences physiques de Hefei, qui travaille depuis 2006 sur la fusion avec le mini-réacteur Experimental Advanced Superconducting Tokamak, puisse être un signe d'espoir dans cette direction, voire qu'elle signale une amorce d'un leadership de la Chine avec ce type de réacteur dans la course à la fusion par rapport au projet Iter.

Il n'en est rien, déjà parce que les chiffres avancés, une température de 100 millions de degrés et un temps de stabilité pour le plasma d'environ 101 secondes, un peu plus d'une minute et demie, n'impressionnent pas de nos jours quiconque connaît un peu l'histoire de la fusion contrôlée.

Une vieille présentation des recherches sur la fusion contrôlée avec notamment le TFTR. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © princetoncampuslife

34 fois la température du cœur du Soleil dans un tokamak en 1995

En effet, déjà en 1985, le réacteur états-unien Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), sur le site de l'université de Princeton dans le New Jersey, avait atteint le seuil des 100 millions de degrés kelvins, puis en 1986 celui des 200 millions de degrés (pour rappel la température au centre du Soleil est estimée à 15-20 millions de degrés environ). Au cours des années 1990, le tokamak européen JET - acronyme de l'anglais Joint European Torus, littéralement Tore commun européen -, le plus grand tokamak existant, situé au Culham Science Center près d'Oxford, atteignait aussi les 100 millions de degrés et devenait le premier à faire vraiment de la fusion de noyaux de deutérium et de tritium avec un mélange 50/50, la réaction la plus prometteuse pour la production d'énergie. Aussi capable de faire des expériences avec ce type de réaction, le TFTR atteignait en 1995 un record du monde qu'il détient toujours, une température record de 510 millions de degrés kelvins. En 1997, en utilisant un mélange de deutérium et de tritium 50/50, le JET a établi le record mondial actuel en matière de production de fusion à 16 MW pour une puissance de chauffage de 24 MW. C'est aussi le record du monde pour la quantité appelé Q, avec 0,67. Un Q de 1 correspond au seuil de rentabilité en énergie, c'est-à-dire que l'énergie dégagée par la fusion est égale à celle consommée pour l'obtenir. La valeur Q doit donc être supérieure à 1 et le but d'Iter est d'atteindre un Q de 10.

La France, quant à elle, détient toujours un autre record depuis 2003 grâce au tokamak Tore Supra du CEA. Il a permis d'obtenir un plasma stable pour la fusion pendant six minutes et demie.

L'Experimental Advanced Superconducting Tokamak détient quand même un record, celui de la plus longue stabilité pour un plasma (qui n'est pas un mélange de deutérium et de tritium, donc sans la réaction de fusion que l'on cherche in fine) avec un mode H. Il s'agit d'un mode particulièrement stable pour confiner le plasma avec des champs magnétiques, ce qui est bien sûr une nécessité pour éviter que le plasma ne détruise les parois d'un réacteur thermonucléaire.

Mais ce mode H est précisément celui que l'on veut produire avec un réacteur de la taille d'Iter car c'est alors, avec cette taille, que l'on devrait atteindre un Q de 10. L'Experimental Advanced Superconducting Tokamak est donc trop petit mais, incontestablement, les expériences faites avec lui renforcent la conviction que l'on est bien sur le bon chemin avec Iter. D'ailleurs la Chine elle-même est membre du projet Iter, ce qui n'est pas un hasard.

L'état du chantier d'Iter en août 2018 avec un survol par drone. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en japonais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © iterorganization

  • Des températures supérieures à 100 millions de degrés ont déjà été obtenues dans des tokamaks, depuis plus de 30 ans avec la fusion contrôlée.
  • Déjà, en 2003, la France avait établi le record de durée actuelle pour un plasma, six minutes et demie.
  • Avec le mini-réacteur Experimental Advanced Superconducting Tokamak, la Chine a tout de même établi un record de durée pour le temps de stabilité avec le mode H, celui que les membres d'Iter, dont elle fait partie, se prépare à utiliser pour le succès de l'expérience qui nécessite pour cela un gros réacteur.
Pour en savoir plus

Fusion contrôlée : nouveau record du monde pour la pression dans un tokamak

Article de Laurent Sacco publié le e 24/10/2016

Avant qu'Iter ne prenne vraiment la tête des expériences mondiales sur la fusion contrôlée, de petites équipes continuent à faire progresser la technologie dans ce domaine de recherche, cruciale pour le futur de l'humanité. Les chercheurs du MIT viennent ainsi de battre le record du monde pour la pression du plasma dans un tokamak.

La production industrielle d'électricité à partir de la fusion contrôlée ne devrait malheureusement pas devenir une réalité à l'échelle de la Planète avant la seconde moitié du XXIe siècle. Il devrait être trop tard pour éviter une crise mondiale comme jamais l'humanité  n'en a connue. C'est pourquoi certains rêvent encore à des percées imprévues qui pourraient se faire beaucoup plus tôt et avec des machines de plus petites tailles que des tokamaks comme le futur Iter, dont le gigantisme n'aidera pas à faire des progrès rapides, bien que l'on considère qu'il soit une nécessité pour réussir. Ces tokamaks confinent un gaz de particules chargées formant en réalité un plasma, un quatrième état de la matière, et que l'on chauffe à plusieurs dizaines de millions de kelvins voire même au-delà. Ce confinement est obtenu par des champs magnétiques afin de limiter drastiquement le contact du plasma avec les parois du dispositif en forme de tore le contenant qui ne peut bien sûr, que se vaporiser au-delà de quelques milliers de kelvins.

Parmi les expériences ayant servi à paver la voie du projet Iter, on peut citer celles effectuées avec le réacteur à fusion Alcator C-Mod du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC). Ce tokamak du MIT, était le plus grand réacteur à fusion expérimentale universitaire du monde jusqu'à son arrêt le 30 septembre 2016. Il était en fonctionnement depuis 1993. Parmi les expériences sur la fusion par confinement magnétique, c'est celui où la pression du plasma et l'intensité du champ magnétique sont les plus élevées au monde. Son nom est d'ailleurs l'acronyme de l'italien Alto Campo Torus, ce qui signifie tore à champ élevé. Trois générations de ce type de tokamak se sont succédées, A, B et finalement C.

Une vidéo de présentation du tokamak Alcator C-Mod du MIT en 360°, il suffit d'utiliser sa souris. Ne pas hésiter à monter la résolution de l'image en HD. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».© MIT Plasma Science and Fusion Center

Une production d'énergie qui croit avec le carré de la pression du plasma

Les chercheurs du MIT viennent de faire savoir que lors de son dernier jour de fonctionnement, Alcator C-Mod avait battu son propre record du monde (1,77 atmosphère en 2005) en ce qui concerne la pression du plasma dans un tokamak, en atteignant la valeur de 2,05 atmosphères. Pour réussir une telle prouesse, il a fallu un champ magnétique dont l'intensité est de 5,7 teslas, soit plus de 100.000 fois supérieure à celui de la Terre. La température atteinte dans le plasma était d'environ 35 millions de kelvins, plus de deux fois celle régnant au cœur du Soleil, et tout cela dans un volume de seulement un mètre-cube, durant deux secondes.

Pourquoi faire la course à des pressions de plus en plus élevées ? Tout simplement à cause du critère de Lawson, une formule simple que l'on doit au physicien britannique John David Lawson dans les années 1950. Sous la forme connue sous le nom de « produit triple », celui de la température du plasma par sa densité et un temps de confinement dans un tokamak, il permet d'évaluer un seuil au-delà duquel les réactions de fusions thermonucléaires peuvent produire plus d'énergie qu'elles n'en consomment pour exister. Au final, on constate avec ce critère que l'énergie produite par unité de temps est proportionnelle au carré de la pression dans le plasma. Multiplier par deux la pression permet donc de quadrupler la puissance générée dans un tokamak.

Normalement, il faudra attendre la mise en service d'Iter pendant les années 2030 pour battre le record de Alcator C-Mod. Une pression de 2,6 atmosphères devrait alors être atteinte dans le plasma.

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