Le chemin vers la fusion thermonucléaire est long et semé d’embûches. Une des nombreuses étapes a récemment été franchie dans le plus grand tokamak chinois, EAST, où la limite de densité de plasma qui était observée jusque-là a été dépassée.
Dans un tokamak (un type de machine expérimentale conçue pour exploiter l'énergie de la fusion), le plasma est le milieu où se produisent les réactions de fusion nucléaire. Plus celui-ci est dense, plus les atomes se rencontrent et ont de chance de fusionner et de libérer de l’énergie. L’expérience récente a produit des densités de 30 % à 65 % plus élevées que celles normalement atteintes dans cette machine, sans déclencher les instabilités perturbatrices qui se produisent généralement lorsque la limite de densité du plasma est dépassée.
Cette étude, co-dirigée par Ping Zhu et Ning Yan, que j’ai contribuée à interpréter, a été publiée début janvier dans la revue Science Advances et reprise par la revue Nature. Un point particulièrement prometteur est que cette avancée a une base théorique, que j’avais développée et publiée avec d’autres collègues quatre ans auparavant. En confirmant plusieurs de ses prédictions, l’expérience soutient la théorie, ce qui ouvre la voie à d’autres améliorations.
Pourquoi cette avancée est importante
Le réchauffement climatique, la pollution de l’air, la géopolitique de l’énergie et le caractère intermittent des énergies renouvelables rendent urgent le développement de nouvelles centrales électriques à fonctionnement continu. Dans ce cadre, les atouts majeurs de la fusion thermonucléaire sont le fait que ses cendres et son combustible sont non radioactifs, ainsi que la vaste répartition mondiale de ce dernier et l’absence de risque d’accident nucléaire. Et c’est pourquoi la communauté scientifique travaille depuis des décennies dans un esprit de collaboration à l’échelle mondiale (remarquablement, malgré la guerre en Ukraine, la Russie participe toujours au projet ITER).
Les recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée ont connu récemment une forte accélération grâce au projet de réacteur international de démonstration ITER – et aussi parce que davantage d’argent privé que public est investi dans ce type de recherche au niveau mondial depuis 2023.
Comme on l’a vu, une des contraintes ralentissant cette entreprise est l’existence d’une limite de densité du plasma dans les expériences réalisées jusqu’à présent : avec des densités de plasma trop faibles, les réactions nucléaires ont lieu trop peu souvent pour générer de l’énergie en quantité importante.
Jusqu’à présent, nous étions coincés, car nous n’arrivions pas à dépasser expérimentalement une densité, apparemment limite, du plasma.
À cause de ce problème, les réacteurs tokamaks en projet sont gigantesques : ceci permet aux ions du plasma d’avoir plus de temps pour entrer en collision avant de s’échapper. ITER, par exemple, fait 23 000 tonnes pour 29 mètres de haut et 28 mètres de diamètre. Aussi, aujourd’hui, un des grands défis de la fusion thermonucléaire est de réaliser un réacteur plus petit, qui soit donc moins cher et plus robuste. Or, jusqu’à présent, nous étions coincés, car nous n’arrivions pas à dépasser expérimentalement une densité, apparemment limite, du plasma.
En 2021, mes collègues Fabio Sattin, Paolo Zanca et moi-même avions proposé une base théorique prédisant deux régimes d’auto-organisation plasma-paroi : le régime habituel où la densité de plasma est limitée et un autre régime sans limite de densité. Nous expliquions que ce régime pourrait être atteint en diminuant la quantité d’impuretés projetées par les parois, dues à leur bombardement par les ions du plasma. Nous suggérions à cette fin de démarrer le plasma en utilisant la stratégie utilisée pour le démarrage d’un autre type d’installation destinée à faire de la fusion thermonucléaire, les « stellarators ».
Cette stratégie a été appliquée avec succès dans EAST, où le régime sans limite de densité a été atteint, confirmant ainsi les résultats expérimentaux obtenus au sein du tokamak chinois J-TEXT annoncés en 2023 à la Fusion Energy Conference de l’AIEA à Londres (Royaume-uni).
Plus précisément, les expériences sur EAST ont combiné le contrôle de la pression initiale du gaz combustible avec un chauffage par résonance cyclotronique électronique pendant la phase de démarrage (ces deux facteurs combinés correspondent aux décharges stellarators), permettant une efficace diminution des interactions plasma-paroi dès le début de la décharge.
Grâce à cette approche, l’accumulation d’impuretés et les pertes d’énergie ont été considérablement réduites, et le plasma atteint une densité élevée à la fin du démarrage. De plus, décharge après décharge, une diminution de la quantité d’impuretés a accompagné l’augmentation de la limite. Malheureusement, l’allocation maximale de temps expérimental n’a pas permis de voir jusqu’où pouvait aller cette nette amélioration… mais on peut donc espérer qu’elle se poursuive dans de futures expériences.
Quelles sont les suites de ces travaux ?
L’équipe de recherche d’EAST prévoit donc d’appliquer à nouveau cette méthode lors de la prochaine campagne expérimentale, avec l’idée d’accéder au régime sans limite de densité dans des conditions de plasma à haute performance.
Les physiciens travaillant sur d’autres tokamaks ont également été alertés, et pourraient être intéressés par l’utilisation du même scénario de démarrage pour repousser la limite de densité. Une proposition d’expérience a même déjà été faite pour le nouveau tokamak japonais JT60-SA.
