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Fusion thermonucléaire : deux difficultés en moins pour le projet Iter

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Alcator C-Mod, le tokamak du MIT, est le plus grand réacteur à fusion expérimental universitaire du monde. Avec lui, les scientifiques continuent la quête du Graal de la fusion thermonucléaire contrôlée. Ils peaufinent des technologies qui serviront bientôt, en grandeur nature, au sein du programme Iter. Dernières découvertes en date : comment contrôler le flux de plasma porté à plusieurs dizaines de millions de degrés et comment stopper net une instabilité trop dangereuse. Au passage, un petit rappel sur le B.A. BA de la fusion contrôlée...

Le tokamak Alcator C-Mod du MIT. Crédit : MIT

C'est un des grands rêves de l'humanité : recréer sur Terre le feu du Soleil et s'en rendre maître et possesseur comme aurait dit Descartes. Ce rêve n'est pour le moment accessible que sous la forme de la bombe à hydrogène ou pendant quelques instants en laboratoire.

Voilà plus de 50 ans que les physiciens théoriciens, les ingénieurs et les mathématiciens tentent de contrôler les réactions thermonucléaires pour qu'elles produisent plus d'énergie qu'elles n'en consomment. En effet, il faut, pour recréer des conditions similaires à celles qui règnent au cœur du Soleil, faire passer la matière dans son quatrième état, celui du plasma. Cela nécessite beaucoup d'énergie (sauf si l'on croit à la fusion froide).

Le plasma se rencontre fréquemment dans l'Univers, dans les éclairs, l'atmosphère des étoiles et même le milieu interstellaire. Ce diagramme montre la zone blanche où la matière devient un plasma de température et de densité d'électrons données. Crédit : Associated Plasma Laboratory (LAP)

Ce plasma lui-même, composé d'électrons et d'ions, doit se trouver dans des conditions de température et de densité d'électrons libres telles que les réactions thermonucléaires de fusion y soient possibles. Avec un mélange approprié d'hydrogène (H), de deutérium (2D), de tritium (3T) et d'hélium 3 (3He), plusieurs réactions sont possibles mais elles ne sont pas toutes aussi faciles à réaliser.

  1. 2D + 2D  -> (3He + 0,82 MeV) + (n + 2,45 MeV)
  2. 2D  + 2D -> (3T + 1,01 MeV) + (H + 3,03 MeV)
  3. 2D  + 3T -> (4He + 3,52 MeV) + (n + 14,06 MeV)
  4. 2D  + 3He -> (4He + 3,67 MeV) + (H + 14,67 MeV)

Ainsi, les réactions 1 et 2 sont aussi probables mais la réaction 3 est 100 fois plus fréquente au-dessous d'un certain seuil de température dans un plasma. Au-dessus, c'est la réaction 4 qui l'emporte. Celle que l'homme tente actuellement de maîtriser est la réaction 3...

La réaction de fusion standard dans les expériences de fusion contrôlée. Crédit : Associated Plasma Laboratory (LAP)

Pour cela deux voies essentielles sont explorées, la fusion par confinement inertiel et la fusion par confinement magnétique. Selon la densité du plasma et du temps de chauffage pour atteindre la température de fusion, l'une est préférable à l'autre comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous.

Crédit : Associated Plasma Laboratory (LAP)

Dans le cas du confinement magnétique, l'idée est de comprimer et confiner le plasma porté à de très hautes températures, plusieurs dizaines de millions de degrés, par des champs magnétiques avec un appareil en forme de tore : un tokamak (ce terme vient du russe toroidal'naja kamera magnetnymi katushkami, c'est-à-dire chambre toroïdale à bobines magnétiques).

Schéma d'un tokamak, instrument du confinement magnétique. Crédit : Associated Plasma Laboratory (LAP)

Dans un tokamak, comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, un ensemble de bobines produit un champ magnétique dans la direction du tore, auquel vient s'ajouter le champ magnétique créé par un courant intense axial circulant dans le plasma lui-même. Cette configuration a bénéficié de progrès considérables depuis son invention dans les années 1950 par les chercheurs russes Igor Tamm et Andreï Sakharov et c'est toujours la voie de recherche la plus étudiée.

Cliquez pour agrandir. Le tokamak européen JET à gauche à l'arrêt et à droite en fonctionnement avec du plasma chaud. Crédit : BNES YGN

Plusieurs tokamaks ont vu le jour dans le monde et l'un des plus célèbres est celui du JET (acronyme de l'anglais Joint European Torus, Tore commun européen). Situé près d'Oxford au Royaume-Uni, il est le plus grand du monde. Sa construction a débuté en 1979 et il est entré en fonctionnement en 1983.

Cliquez pour agrandir. Un schéma en coupe du tokamak JET (source EFDA-JET). Le JET est un tokamak d'environ 12m de haut. Le cœur de la machine est constitué d'une enceinte à vide toroïdale de forme en D, d'un diamètre de 2,96 mètres. Le volume du plasma est typiquement en 80 et 100 m3. Iter devrait beaucoup lui ressembler mais en plus grand. Crédit : CEA

Le réacteur à fusion Alcator C-Mod du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) est quant à lui en fonctionnement depuis 1993 et c'est la troisième génération de ce type de tokamak. 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 en gros tore à champ élevé.

Pour réaliser la fusion il faut non seulement comprimer le plasma mais aussi en contrôler l'écoulement dans le tore du tokamak. On utilise pour cela des ondes électromagnétiques dans le domaine radio. Le plasma est très turbulent, instable et siège de phénomènes relevant de la théorie du chaos. Afin de maintenir un régime approprié à la fusion, le type d'ondes électromagnétiques chauffant et controlant le flot du plasma ainsi que le champ magnétique confinant doivent être délicatement réglés et contrôlés.

Là réside un problème de taille. On attend de la prochaine génération de réacteurs qu'elle produise effectivement de l'énergie. C'est l'objet de l'ambitieux projet Iter. Or, on sait déjà que dans ses installations d'une toute autre échelle les techniques connues jusque-là pour propulser le plasma ne fonctionneront plus...

La salle de contrôle du tokamak Alcator C-Mod du MIT. Crédit : MIT

Les chercheurs étaient conscients de cette difficulté depuis des années. Mais les physiciens Yijun Lin et John Rice du MIT ont trouvé avec leurs collègues, et grâce aux expériences conduites récemment avec Alcator C, une nouvelle façon d'utiliser des ondes électromagnétiques pour maîtriser le plasma qui pourrait être transposable à Iter.

Avec le même instrument Alcator C-Mod, une seconde équipe a peut-être une solution pour une autre difficulté. En cas d'instabilités incontrôlables du plasma confiné dans le champ magnétique, celui-ci pourrait brutalement s'échapper en direction des parois du tokamak sous forme d'un faisceau d'électrons hautement énergétiques, capable d'endommager gravement les parois.

Les physiciens Dennis Whyte et Robert Granetz ont découvert une méthode pour empêcher tout dégât. En injectant de l'argon et du néon au moment où une instabilité est détectée, l'énergie du plasma devrait être brutalement convertie en un flash de lumière qui, bien que très intense, ne produirait, lui, aucun dégât.  Dans le cas d’Iter, le flash produit devrait atteindre mille milliards de watts, la puissance électrique des Etats-Unis !

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