L’utilisation de la fusion nucléaire, le processus qui alimente les étoiles, pour produire de l’électricité sur Terre est connue depuis plus de 30 ans depuis plus de 70 ans. Mais maintenant, une expérience révolutionnaire réalisée au centre national de fusion DIII-D à San Diego pourrait enfin repousser les centrales nucléaires à fusion à environ 29 ans.
Plafond de fusion nucléaire
L’installation DIII-D est gérée par General Atomics pour le ministère de l’Énergie. Il comprend un tokamak expérimental, un dispositif de fusion nucléaire en forme de beignet qui fonctionne en piégeant un plasma étonnamment chaud dans des champs magnétiques toroïdaux très puissants. Les tokamaks, comparés à d’autres modèles de réacteurs à fusion comme les stellarateurs, sont les plus avancés dans leur développement ; ITER, le premier dispositif à fusion de la taille d’une centrale électrique au monde, actuellement en construction en France, devrait réaliser ses premiers tests avec du plasma en décembre 2025.
Mais les tokamaks ont toujours eu quelques problèmes. En 1988, Martin Greenwald, un expert en physique des plasmas au Massachusetts Institute of Technology, a proposé une équation décrivant une limite apparente à la densité du plasma pouvant pénétrer dans les tokamaks. Il a fait valoir que la densité maximale atteignable est dictée par le rayon mineur d’un tokamak et le courant induit dans le plasma pour maintenir la stabilité magnétique. Dépasser cette limite était censé rendre les aimants incapables de retenir le plasma, chauffé au nord de 150 millions de degrés Celsius par rapport aux parois de la machine.
Étant donné que la puissance d’un tokamak était proportionnelle au carré de la densité du combustible, cette limite n’était pas de bon augure pour les centrales à fusion. Un réacteur commercial devrait soit être énorme, soit générer des courants de plasma absurdement élevés. Le premier signifiait que sa construction serait extrêmement coûteuse, et le second qu’il serait coûteux à exploiter.
Mais il y a eu de l’espoir. Depuis lors, de nombreuses équipes de recherche travaillant dans différentes installations de tokamak, notamment le Joint European Torus (JET) en Grande-Bretagne ou l’ASDEX Upgrade en Allemagne, ont atteint des densités de plasma dépassant la limite de Greenwald. En réponse, Martin Greenwald lui-même a légèrement révisé son affirmation, affirmant que la limite ne s’appliquait pas à la densité moyenne du plasma dans l’ensemble du réacteur, mais uniquement à la partie du plasma occupant moins de 10 pour cent du rayon près de la paroi du réacteur.
Bien que les chiffres de densité réels aient été légèrement repoussés, le principe de fonctionnement derrière la limite de Greenwald était toujours valable : lorsque la densité du plasma augmentait au-dessus de la ligne de Greenwald, la qualité du confinement diminuait. « Le phénomène majeur découvert lors des expériences à haute densité était la réduction du confinement énergétique lorsque la densité du plasma augmentait », a déclaré Siye Ding, chercheur à General Atomics travaillant à l’installation nationale de fusion DIII-D.
Pour utiliser la fusion pour la production d’énergie, nous avons besoin à la fois d’une haute densité et d’un confinement élevé. « Pour la première fois, nous avons démontré expérimentalement comment résoudre ce problème », a déclaré Ding.
Puzzle auto-organisé
« Lorsque vous fabriquez un plasma dans votre réacteur, il y a toute une combinaison de paramètres », a expliqué Andrea Garofalo, responsable scientifique chez General Atomics qui a travaillé sur l’expérience au DIII-D. « Qu’est-ce que le courant plasma, qu’est-ce que le champ toroïdal, qu’est-ce que l’échauffement externe en fonction du temps. Les combinaisons de ces paramètres peuvent varier dans les tokamaks : vous pouvez augmenter ou diminuer le courant du plasma, vous pouvez démarrer le chauffage plus tôt, vous pouvez le démarrer plus tard. Tout cela constitue ce que nous appelons un scénario.
« Nous parlons d’optimiser les formes d’onde de puissance, de ravitaillement, etc. pour obtenir la bonne configuration », a-t-il ajouté.
La configuration que lui et ses collègues ont réalisée (appelée scénario à bêta poloïdal élevé) a fonctionné à merveille.
Les personnes travaillant sur la fusion nucléaire utilisent diverses mesures qui intègrent plusieurs paramètres dans des nombres simples pour faciliter la comparaison des performances de différentes expériences de fusion. La métrique H98Y suit la qualité du confinement. Le mode de confinement élevé qui sera utilisé sur ITER a H98Y égal à 1. La densité du plasma est souvent désignée par FGR – la fraction de Greenwald – qui décrit jusqu’où la densité du plasma peut descendre en dessous ou au-dessus de la limite de Greenwald. FGR égal à 1 signifie une densité exactement à la limite de Greenwald.