Tokamak fusion nucléaire

Vue de l'enceinte plasma du tokamak Tore Supra (©P.Stroppa/CEA)

Définition et catégories

Un tokamak est une machine en forme d’anneau métallique creux (tore). Elle est utilisée par les scientifiques afin d’y créer des réactions de fusion nucléaire, pour produire de l’énergie. Le tokamak a été inventé dans les années 1950-1960 par les physiciens Igor Tamm et Andreï Sakharov. Le terme « tokamak » est tiré du russe « toroidal'naja kamera magnetnymi katushkami », ce qui signifie en français : « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ».

Des plasmas y sont chauffés à plusieurs millions de degrés au centre de l’anneau. Le plasma est le quatrième état de la matière dans lequel les atomes sont totalement ionisés, c'est-à-dire que leurs noyaux et les électrons les entourant ne sont plus liés. Cet état est indispensable à l’enclenchement de la réaction de fusion nucléaire car c’est à une température de l’ordre de 150 millions de degrés Celsius que la probabilité d’obtenir une réaction de fusion est maximum. De puissants champs magnétiques maintiennent le plasma à distance des parois en formant un anneau virtuel protecteur. Ils constituent une sorte de « bouclier » magnétique empêchant le plasma de s’approcher et de fondre les parois métalliques. C’est la caractéristique principale des tokamaks. Actuellement, ces champs magnétiques sont générés par des bobines supraconductrices installées autour de la chambre et par un courant électrique qui circule dans le plasma.

Les réactions de fusion nucléaire ont naturellement lieu au cœur des étoiles à des pressions et des températures extrêmes. A titre d’exemple, au cœur du Soleil, la pression est égale à 200 milliards de fois la pression atmosphérique terrestre et la température centrale atteint environ 15 millions de degrés Celsius pour une densité égale à 150 fois celle de l’eau. Dans ces conditions les noyaux légers d’hydrogène (75% de la composition du Soleil) fusionnent en noyaux d’hélium (24%) deux fois plus lourds, générant consécutivement la lumière et la chaleur que nous recevons. Selon les calculs, chaque seconde 620 millions de tonnes d'hydrogène y sont transformés en 615,7 millions de tonnes d'hélium(1).

Sur Terre, le rôle du tokamak est de reproduire et de contrôler un processus de fusion, mais à des pressions plus faibles donc des températures plus élevées. Le combustible est un mélange d’isotopes de l’hydrogène. Ce mélange est chauffé à une température d’environ 150 millions de degrés pour en déclencher la fusion.

On estime à 200 le nombre de tokamaks qui ont été construits au cours de ces 40 dernières années(2). Cependant, malgré l’expérience accumulée, la technologie des tokamaks est encore en phase expérimentale et aucune application industrielle n’est attendue avant plusieurs décennies.

Fonctionnement technique ou scientifique

Le confinement magnétique

L’architecture d’un tokamak repose sur les principes du confinement magnétique. Les deux autres types de confinement existants sont le confinement inertiel (par laser) et le confinement gravitationnel (qui a lieu dans les étoiles du fait de leur masse).

Au sein d’un tokamak, il faut confiner le plasma dans un volume limité, suffisamment éloigné des parois. Celles-ci ne pourraient résister aux températures extrêmes nécessaires à l’enclenchement du processus de fusion. Puisqu’aucun matériau connu n’est suffisamment résistant, il faut utiliser une barrière « immatérielle » : un champ magnétique. Un champ magnétique est un champ de force résultant du déplacement des charges électriques, c'est-à-dire de ce que l’on appelle couramment un « courant électrique ». Comme le plasma est constitué de particules chargées électriquement, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur de l’anneau vide du tokamak au moyen de champs magnétiques.

Le courant qui chauffe le plasma dans sa phase initiale ne suffit pas pour atteindre les températures requises pour la fusion nucléaire. On a recours à des systèmes de chauffage additionnels, par injection de particules neutres très énergétiques ou d’ondes radio-fréquences, comme dans un four micro-ondes.

Enjeux par rapport à l'énergie

Le tokamak, une technique prometteuse

Le tokamak est actuellement la configuration de réacteur à fusion nucléaire contrôlée jugée la plus prometteuse. Il permettrait en effet une production continue d’énergie là où le confinement inertiel n’offre que des réactions très puissantes mais de très courte durée qui devraient être reproduites à une fréquence élevée pour générer de l’énergie en continu. Cinq décennies de recherches sur les tokamaks ont conduit à une amélioration sensible des résultats. Dans la droite ligne de ces recherches, le projet ITER vise à démontrer la faisabilité technique d’un processus de fusion à grande échelle au moyen d’un tokamak.

Des obstacles techniques encore nombreux

La technologie des tokamaks doit toutefois encore progresser afin de répondre aux problèmes techniques rencontrés :

  • la physique des plasmas n'est pas une science parfaitement maîtrisée. Il est notamment très difficile de modéliser le comportement d'un plasma confiné ;
  • les matériaux internes d’un tokamak doivent à la fois faire face à des contraintes extrêmes : température, résistance aux champs magnétiques, stabilité aux radiations et au bombardement des neutrons de fusion et atteindre des durées de vie suffisantes. Dans un futur système industriel, la paroi devrait évacuer une densité de puissance très importante(3), de l’ordre de 20 MW/m2. On ne connaît pour le moment aucun matériau capable de résister à ces conditions sur le long terme ;
  • les isotopes de l’hydrogène utilisés comme combustibles possèdent des diffusivités élevées, en particulier le tritium. Le rayon de fuite de ce gaz radioactif doit être maîtrisé dans les tokamaks qui en font usage ;
  • en irradiant les parois du tokamak, les neutrons issus de la réaction de fusion rendent les composants partiellement radioactifs pour une centaine d’années. Un plan de démantèlement efficace des installations doit donc être prévu ;
  • pour atteindre l'objectif d'une fusion auto-entretenue, il est nécessaire de pouvoir confiner une grande quantité de plasma. Il faut par conséquent construire des tokamaks de grande envergure, tel qu'ITER, dont les coûts de construction et de maintenance sont très importants.

La mise en application industrielle de la fusion nucléaire au sein de tokamaks est encore confrontée à des défis technologiques majeurs. Des innovations importantes dans les autres voies possibles de la fusion pourraient éventuellement modifier cette perspective. Seul ITER pourra apporter des éléments sur une éventuelle application industrielle des tokamaks avant la fin du siècle.

Acteurs majeurs

Les principaux tokamaks construits et les pays participants

Premiers prototypes aujourd’hui démantelés:

  • Tokamak T3, conçu en Union soviétique dans les années 1960 ;
  • Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), qui a fonctionné de 1982 à 1997 à Princeton, aux Etats-Unis. Il a réalisé les premières expériences utilisant un mélange de deutérium et de tritium ;
  • TFR (Tokamak de Fontenay-aux-Roses), conçu en France dans les années 1970 ;
  • PLT, conçu aux États-Unis dans les années 1970.

Quelques prototypes en fonctionnement:

  • KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research), à Daejeon en Corée du Sud;
  • JET (Joint European Torus), à Culham au Royaume-Uni;
  • JT-60  (JAERI - Japan Atomic Energy Research Institute - Tokamak 60), au Japon ;
  • Tore Supra, à Cadarache en France.
Unités de mesure et chiffres clés

510 millions de degrés Celsius, soit 33 fois la température du cœur du Soleil : c’est jusqu’ici la température record jamais atteinte dans un tokamak. Ce record a été établi en 1995 dans le réacteur à fusion TFTR basé à Princeton par des scientifiques américains.

Passé et présent

Les premières expériences de confinement avec des champs magnétiques sont initiées aux États-Unis dès 1938. L’année 1958 marque la déclassification des recherches lors de la conférence Atoms for peace. En 1968, les Soviétiques font une avancée décisive dans la recherche sur la fusion nucléaire en obtenant un plasma de 10 millions de degrés dans l'une de leurs machines, le tokamak T3. En pleine guerre froide, une équipe de chercheurs britanniques et français fait le déplacement et confirme ce résultat.

Les tokamaks deviennent alors la référence et de nombreuses installations sont construites dans le monde. En France, le CEA met au point TFR. Dans les années 80 sont lancés les chantiers des grands tokamaks : JT-60 au Japon, TFTR aux États-Unis, JET en Angleterre ou encore Tore Supra en France (au CEA à Cadarache). Grâce à eux, le plasma est de mieux en mieux maîtrisé.

En 1985, Mikhaïl Gorbatchev propose à Ronald Reagan et François Mitterrand de construire un grand tokamak international. C’est de cette proposition décisive que découlera le projet ITER (pour International Thermonuclear Experimental Reactor) dans les années 1990-2000. La recherche sur les tokamaks, dont la construction était alors une prérogative nationale ou européenne, s’internationalise.

La première phase de recherche et développement d’ITER commence en 1992 et les ingénieurs en charge du projet s’orientent vers une architecture en tokamak. Celle-ci est perçue comme la plus efficace pour confiner le processus de fusion.

En 2001, la nouvelle ingénierie du projet ITER est présentée et adoptée. En 2007, l’accord ITER est officiellement signé par les pays participants. Il rassemble la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l’Union européenne, l’Inde, le Japon et la Russie.

Lors de l’été 2010, le chantier d’ITER est lancé sur le site de Cadarache en France et son financement confirmé. L’une des premières étapes de construction est le creusement de la fosse du tokamak. Le bâtiment du siège est entre autres finalisé.

 
Futur

Les premiers réacteurs à fusion reposant sur le concept du tokamak ont été des installations expérimentales « spécialisées » : la physique des plasmas performants sur des temps courts (quelques secondes) sur JET, la problématique des décharges longues (quelques minutes) sur Tore Supra, sans oublier les nombreuses avancées, en particulier sur les principes d’amélioration du confinement, obtenues sur l’ensemble des machines exploitées par la communauté européenne et internationale. La prochaine étape doit être l’intégration de tous ces résultats au sein d’une même installation : c’est l’un des objectifs du projet international ITER.

ITER sera le premier tokamak intégrant la plupart des technologies essentielles au futur réacteur à fusion nucléaire par confinement magnétique : des aimants supraconducteurs de très grande taille, des composants exposés frontalement au plasma donc refroidis activement, un processus continu de gestion et d’utilisation du tritium et enfin une maintenance robotisée. Le volume de plasma (800m3) contenu dans le tokamak d’ITER sera environ huit fois supérieur à celui du JET.

Si les résultats obtenus par ITER sont concluants, ils devraient engendrer des avancées capitales dans le domaine de la fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique. A terme,  il est envisageable que des tokamaks soient produits à une échelle industrielle avant la fin du siècle.

 
Le saviez-vous ?

Le tokamak du réacteur ITER pèsera 23 000 tonnes. Il sera trois fois plus lourd que la tour Eiffel dont la masse est de 7 300 tonnes.(4)