Une vue du chantier d'Iter en décembre 2018. © Iterorganization

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Fusion thermonucléaire : une nouvelle découverte pour contrôler les disruptions d'Iter

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Du fait de sa construction même, le réacteur Iter doit limiter fortement l'apparition d'instabilités analogues aux éruptions solaires dans le plasma nécessaire à la fusion contrôlée sur Terre. On pense savoir gérer celles qui apparaîtront et l'un des buts du projet Iter est justement de vérifier que tel serait bien le cas. Aujourd'hui, une découverte devrait permettre de rendre le fonctionnement d'Iter encore plus stable.

Cela fait presque 70 ans que les physiciens et les ingénieurs courent après le feu du Soleil avec la quête du Graal de la fusion contrôlée. À ce jour, leur meilleur espoir est dans la voie tracée, dès les années 1950, par les physiciens russes, Igor Tamm et Andreï Sakharov, avec le concept de tokamak, acronyme russe de toroïdalnaïa kamera s magnitnymi katushkami (en français : chambre toroïdale avec bobines magnétiques). Suffisamment nombreuses pour produire plus d'énergie qu'elles n'en consomment, les réactions de fusion nécessitant des centaines de millions de degrés dans un plasma, il n'était évidemment pas question de confiner ce plasma avec de la matière. Seuls, des champs magnétiques peuvent y parvenir et la fusion froide reste une chimère à ce jour.

Les progrès peuvent sembler lents pour un néophyte ou un observateur novice ; cependant, ils se sont déroulés de façon exponentielle et analogue à la loi de Moore. Simplement, au début de la courbe, la croissance peut ne pas être importante avant d'exploser brutalement. Toujours est-il qu'au cours des années 1980 et 1990, avec des projets comme le Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), sur le site de l'université de Princeton (New Jersey), et le tokamak européen JET (Joint European Torus), le plus grand tokamak existant et situé au Culham Science Center (Royaume-Uni), les chercheurs sont arrivés à cette conclusion : ils savaient comment s'y prendre pour faire de la fusion, une source d'énergie abondante pour l'humanité.

Il fallait pour cela atteindre un certain volume (d'après les expériences effectuées faisant apparaître une loi empirique mais aucune théorie n'implique que ce soit une nécessité à ce jour) pour le réacteur où des noyaux de deutérium et de tritium allaient pouvoir fusionner, de telle sorte que la réaction puisse s'entretenir elle-même et fournir un rendement suffisant pour une production industrielle d'électricité comblant les besoins de l'humanité pour la seconde moitié du XXIe siècle.

Une présentation du projet Iter. © iterorganization

Les disruptions, des « éruptions solaires » dans les tokamaks

L'un des piliers de ces espoirs est celui de la stabilité du confinement du plasma dans un tokamak. Les physiciens ont découvert de nombreuses sources d'instabilités menaçant d'extinction le feu nucléaire ou au contraire, son emballement. Ils pensent savoir comment maîtriser ces instabilités : par exemple, en supprimant leur apparition de façon structurelle, par la nature même des conditions dans un tokamak fonctionnant selon les principes du fameux réacteur Iter. Mais, dans certains cas, la solution est autre : c'est-à-dire que l'on sait que ces instabilités apparaîtront parfois malgré tout mais que l'on dispose de solutions pour les stopper avant qu'elles ne deviennent fatales au réacteur.

Dans le cas d'Iter, les instabilités connues sous le nom de disruptions ont fait couler beaucoup d'encre. Il s'agit d'un phénomène qui n'est pas sans rappeler ce qui se passe à l'occasion d'éruptions solaires à la surface du Soleil. Il est légitime d'avoir peur pour Iter en regardant les images prises dans l'espace avec des satellites comme SDO, Stereo ou Soho. Mais, les membres des groupes de recherches sur la fusion contrôlée -- notamment au CEA ou ceux du projet Iter -- ont toujours soulignés qu'ils étaient conscients du problème et qu'ils pensaient avoir des solutions.

Pour être précis, les disruptions dans un tokamak sont des événements rapides, survenant dans le plasma, qui entraînent la perte totale de l'état d'équilibre du plasma avec une perte rapide de l'énergie thermique et magnétique stockées. Ces événements peuvent être dommageables pour la machine, via des transferts de chaleur importants sur l'enceinte matérielle entourant ce plasma et aussi, en raison des forces électromagnétiques s'exerçant sur la structure du réacteur. Sous certaines conditions, des avalanches de génération d'électrons de haute énergie, heurtant la paroi interne du tokamak, peuvent également se produire.

Une présentation de la fusion avec confinement magnétique dans un tokamak. © CEA / DRF

En théorie, Iter est conçu pour minimiser l'occurrence de ces événements. Mais, il devrait bien s'en produire... On a des raisons de penser, mais cela restera à vérifier avec Iter, que le début de ces événements peut être détecté et que leurs développements peuvent alors être stoppés.

Pour cela, il faut injecter dans le tokamak jusqu'à plusieurs centaines de grammes de deutérium et de gaz inerte, comme le néon ou l'argon, en quelques dizaines de millisecondes. Il va sans dire, tout de même, que toute découverte augmentant la stabilité du fonctionnement d'Iter est la bienvenue.

Des îlots magnétiques rendus encore plus stables

Or, il y a quelques semaines, deux physiciens du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), Allan Reiman et Nat Fisch, ont annoncé dans un article publié dans Physical Review Letters qu'ils avaient trouvé un moyen de gagner en stabilité, au niveau d'une des instabilités bien connues pour être à l'origine de disruptions. On les rencontre en rapport avec des « îlots magnétiques », c'est-à-dire des configurations particulières des lignes de champs magnétiques qui s'enroulent sur une surface torique à l'intérieur d'un tokamak. Les spécialistes parlent de cette instabilité en termes de « modes de déchirement » (tearing modes) et elle a fait l'objet d'une abondante littérature.

En l'occurrence, Reiman et Nat Fisch ont découvert que ces modes pouvaient être rendus plus stables en jouant sur des perturbations de la température du plasma en rapport avec son chauffage par ondes radio (voir la vidéo ci-dessus du CEA). Ces dernières génèrent aussi un courant le long du tore du tokamak, courant produisant une composante de champ magnétique (comme dans les fils d'un électroaimant) qui est cruciale pour assurer le confinement magnétique dans un tokamak.

En fait, l'idée était déjà là depuis le début des années 1980, mais les chercheurs n'avaient pas encore compris à quel point celle-ci pouvait être prometteuse.

Un survol en drone du chantier d'Iter en août 2018. Traduction et sous-titrages en français en cliquant sur la roue dentée en bas à droite de la vidéo. © iterorganization

  • Dans un réacteur, pour la fusion contrôlée comme Iter, le plasma sera chauffé à des températures de l'ordre de 150 millions de degrés, ce qui nécessite des champs magnétiques pour le retenir, aucune paroi matérielle ne pouvant supporter longtemps de telles températures.
  • Ce confinement magnétique est délicat à maintenir, des déséquilibres menaçant à tout moment de produire l'équivalent des éruptions solaires. Des chercheurs pensent savoir comment limiter ces disruptions, et bloquer leur développement quand elles surviennent.
  • Une découverte récente laisse penser que l'apparition des disruptions peut être encore plus limitée au niveau des « îlots magnétiques » dans le plasma du tokamak Iter.
Pour en savoir plus

Fusion thermonucléaire : deux difficultés en moins pour le projet Iter

Article de Laurent Sacco publié le le 05/12/2008

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...

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. © 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. © 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.

©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. ©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. © 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. © 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. © 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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