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Les stellarators, un autre chemin vers la fusion contrôlée

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Avant d'être devancés par les tokamaks, les stellarators états-uniens étaient les candidats les plus prometteurs pour atteindre le Graal de la fusion contrôlée. Ils font toujours l'objet de recherches, comme le montre l'inauguration récente en Allemagne du stellarator Wendelstein 7-X. La machine hébergée par l'institut Max Planck pour la physique des plasmas ne fonctionnera cependant pas avant l'horizon 2015.

Une vue du stellarator Wendelstein 7-X au moment de l'achèvement de sa construction. Il va surtout servir à vérifier qu'il est possible de confiner un plasma de façon stable. Ce n'est qu'une machine expérimentale qui n'ira pas jusqu'à réaliser la fusion nucléaire. © Bernhard Ludewig/IPP

Dans son livre L'énergie bleue : histoire de la fusion nucléaire, le physicien Guy Laval, directeur de recherches émérite au CNRS et membre de l'Académie des sciences, rappelle que du début des années 1950 jusqu'à la fin des années 1960, ce ne sont pas les tokamaks russes qui semblaient porteurs des meilleurs espoirs pour contrôler la fusion thermonucléaire opérant au cœur des étoiles. Le grand astrophysicien états-unien Lyman Spitzer (1914-1997) avait montré qu'il devait être possible de corriger les problèmes de dérive des particules de plasma confinées magnétiquement dans un tore en utilisant plutôt une forme en bretzel. La machine proposée a reçu le non évocateur de stellarator.

En creusant la question d'année en année, les ingénieurs et les physiciens ont réalisé graduellement qu'il fallait en fait obtenir un bobinage avec des aimants possédant une forme tourmentée bien précise pour parvenir au but désiré, à savoir un champ magnétique confinant de façon vraiment stable un plasma dans lequel se dérouleraient des réactions de fusion.

Ce dessin montre en jaune le forme que prendra le plasma dans des conditions de fonctionnement aussi bonnes que possible du stellarator Wendelstein 7-X. Il possède une symétrie d'ordre 5, comme celle d'un pentagone. En bleu sont représentés les aimants générant le champ magnétique optimisé pour assurer un confinement stable du plasma.

Ce dessin montre en jaune le forme que prendra le plasma dans des conditions de fonctionnement aussi bonnes que possible du stellarator Wendelstein 7-X. Il possède une symétrie d'ordre 5, comme celle d'un pentagone. En bleu sont représentés les aimants générant le champ magnétique optimisé pour assurer un confinement stable du plasma. © IPP

Les disruptions, le point faible des tokamaks

Malheureusement, la détermination et la réalisation de cette forme ont posé des problèmes grandissants dont l'un des principaux était que les ordinateurs de l'époque n'avaient pas la puissance de calcul suffisante pour déterminer précisément cette forme. Lorsqu'il est apparu que le problème de la dérive des particules pourrait être résolu en utilisant le champ magnétique produit par un courant central axial circulant dans le plasma confiné par un tore, les tokamaks russes ont pris l'ascendant sur les stellarators. Cela s'explique aussi par le fait que les premiers stellarators n'avaient pas les performances prévues par la théorie.

Certes plus faciles à réaliser, les tokamaks ont cependant soulevé d'autres problèmes, dont l'un des plus aigus est celui des « disruptions » (ce mot anglais signifiant perturbations). Il s'agit d'instabilités spontanées qui peuvent se produire dans certains régimes de fonctionnement du plasma magnétiquement confiné. De façon imagée, on pourrait se le représenter comme les analogues de la brusque apparition des éruptions solaires à la surface de notre étoile. Ces disruptions pourraient endommager la paroi d'un tokamak. Il existe des moyens de lutter contre leur apparition en pilotant correctement le fonctionnement d'un tokamak comme celui d'Iter.

Une vue de l'intérieur du stellarator Wendelstein 7-X en novembre 2011.

Une vue de l'intérieur du stellarator Wendelstein 7-X en novembre 2011. © IPP Wolfgang Filser

Deuxième round pour le match tokamaks-stellarators

Toutefois, les stellarators, eux, n'ont pas ces problèmes de disruptions. Leur forme compliquée doit permettre de les supprimer naturellement. D'autre part, comme la puissance des ordinateurs a continué à croître selon la loi de Moore, il est devenu aujourd'hui plus facile d'aborder les difficultés rencontrées pendant les années 1960. C'est pourquoi les recherches sur les stellarators se sont poursuivies.

En Allemagne, le stellarator Wendelstein 7-X, dont la construction vient tout juste de se terminer, a été inauguré. Avec un diamètre de l'ordre de 15 m pour une masse de 550 t, il est constitué de 70 aimants supraconducteurs destinés au confinement du plasma. À terme, les chercheurs veulent prouver qu'avec lui ils peuvent enfin faire jeu égal avec les tokamaks sur le plan du contrôle de la stabilité du plasma. S'ils y parviennent, il se pourrait bien que les réacteurs à fusion contrôlée produisant de l'énergie électrique de façon industrielle à la fin du XXIe siècle ne soient pas les descendants d'Iter mais des stellarators qui succéderont à Wendelstein 7-X.

Pour l'instant, les résultats du match entre tokamaks et stellarators en restent essentiellement à ce que les premiers sont bien plus faciles à concevoir et à construire que les seconds mais qu'ils sont bien plus difficiles à piloter pour éviter des disruptions.

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