Nous avons des réacteurs à fission nucléaire en fonctionnement partout dans le monde depuis des lustres, mais la fusion nucléaire semble toujours être dans une décennie ou deux. Bien que l’on ne puisse prédire quand nous atteindrons l’objectif d’une fusion nucléaire soutenue, la pointe du matériel d’essai progresse à un rythme rapide qui nous rend optimistes. Depuis ce mois-ci et s’étendant sur quelques années, nous vivons une période très excitante pour la fusion nucléaire et la physique des plasmas.

Le tokamak sphérique Mega Ampere (MAST) a bénéficié d’une mise à niveau importante pour tester une nouvelle conception de divertor refroidi. JET (Joint European Torus) testera le mélange combustible deutérium-tritium qui alimentera l’ITER (le projet de recherche dont le nom a commencé comme l’acronyme de International Thermonuclear Experimental Reactor mais a depuis été changé en ITER). Et le stellarator Wendelstein 7-X revient en ligne avec des divertors refroidis améliorés d’ici l’année prochaine.

Ici, les divertors Super-X du MAST Upgrade ont jusqu’à présent montré une diminution de dix fois de la température à laquelle le divertor est exposé tout en transportant l’énergie thermique hors du réacteur tokamak. Cela signifie une conception de divertor et finalement un réacteur à fusion qui durera plus longtemps entre les sessions de maintenance. Côté stellarator, les nouveaux diverteurs de Wendelstein 7-X pourraient lui permettre de démontrer le premier fonctionnement continu d’un réacteur à fusion stellarator. Pendant ce temps, les expériences sur le combustible du JET devraient nous permettre de tester le combustible deutérium-tritium tandis qu’ITER travaille vers le premier plasma d’ici 2025.

Physique nucléaire en mode difficile

La raison pour laquelle nous avons trouvé si rapidement comment utiliser la fission nucléaire dans un cadre commercial peut être essentiellement résumée comme étant un processus qui se déroule facilement tout seul. La difficulté de la fission nucléaire réside davantage dans le contrôle de la réaction nucléaire en chaîne, nécessitant un équilibre entre la modération et l’absorption des neutrons dans le cas des neutrons thermiques et des réacteurs à eau légère (LWR) communs.

D’un autre côté, la fusion nucléaire est un jeu complètement différent. Au lieu d’utiliser certains des isotopes les plus lourds et de lancer des neutrons sur eux pour en convertir une partie en énergie, la fusion nucléaire utilise les isotopes les plus légers (isotopes de l’hydrogène) possibles et tente de les fusionner. Ce n’est évidemment pas un processus qui se produit facilement par lui-même, à moins que vous ne preniez une très grande quantité d’hydrogène et que vous permettiez à une immense pression gravitationnelle de lancer le processus de fusion, comme c’est le cas dans les étoiles.

Un dessin 2016 des différentes sections du réacteur à fusion ITER en cours de construction.

Alors que sur Terre on retrouve aujourd’hui les vestiges des réacteurs à fission naturelle d’une époque où il y avait plus d’uranium 235 naturel autour, la fusion est évidemment restée limitée aux étoiles, dont notre Soleil. En conséquence, la seule façon d’accomplir la fusion nucléaire dans une réaction soutenue sur Terre est de créer la bonne pression, la bonne température et d’autres conditions qui permettront aux isotopes de l’hydrogène de vaincre leur peur de la barrière de Coulomb et de fusionner de sorte que ils peuvent libérer beaucoup d’énergie dans le processus.

C’est en somme la raison pour laquelle il s’est écoulé plus d’un siècle depuis la première découverte du processus de fusion nucléaire. Cent ans d’expérimentation minutieuse et d’utilisation de nouveaux matériaux et technologies analytiques pour améliorer notre compréhension de la physique des plasmas à haute température et notre capacité à créer et maintenir les conditions de fusion dans un tel plasma confiné.

Viser le seuil de rentabilité

Une mesure essentielle pour déterminer le bon fonctionnement d’une conception de réacteur à fusion nucléaire est le facteur Q. C’est le rapport entre l’énergie d’entrée et de sortie. Pour qu’un réacteur à fusion commence à fonctionner, il doit littéralement se réchauffer, ce qui coûte de l’énergie. Le maintien de ces températures de fonctionnement de 100 millions de degrés Celsius ou plus nécessite un certain apport d’énergie; empêcher le refroidissement du plasma est un domaine de recherche.

Idéalement, la réaction devient auto-entretenue, dans laquelle la réaction de fusion fournit l’énergie nécessaire pour maintenir la température du plasma et la réaction de fusion. Pourtant, même avec une certaine énergie d’entrée requise, le facteur Q doit être supérieur à 1 pour entraîner une sortie d’énergie réelle. Cela signifie essentiellement une production d’énergie supérieure à celle requise par le générateur de champ magnétique du réacteur et d’autres éléments.

Avec les expériences JET sur le combustible deutérium-tritium du mois prochain, l’objectif est de voir si la production d’énergie peut être augmentée grâce à ces mélanges de combustibles. Actuellement, JET a atteint un Q de 0,67 qu’il espère améliorer. Il est prévu que le successeur d’ITER (DEMO) devrait atteindre un Q d’au moins 25 pour justifier économiquement les réacteurs à fusion. ITER devrait atteindre un Q de 10.

Description schématique d’un module de divertor proposé pour le futur réacteur de fusion coréen K-DEMO.

Les divertisseurs Super-X qui sont testés par MAST Upgrade pourraient être utiles ici pour améliorer l’efficacité de la réaction de fusion. L’un des objectifs de ces diverteurs est de purifier le plasma en éliminant les éléments indésirables, tels que les atomes d’hélium produits à la suite du processus de fusion. Maintenir le plasma stable et pur sont deux facteurs essentiels pour faire fonctionner efficacement un réacteur à fusion.

Même ainsi, les champs magnétiques dans ces conceptions de tokamak qui contiennent le plasma continuent de constituer une source de maux de tête constants, car le plasma ne se contente pas de continuer à se déplacer selon des schémas simples et prévisibles. Entre l’instabilité du kink et les orbites bananes (transport néoclassique), le plasma a tendance à montrer des mouvements brusques en s’éloignant du centre du champ magnétique. Traiter efficacement ce problème reste une préoccupation majeure, également parce que cela peut entraîner une perte de carburant lorsqu’il s’échappe du champ magnétique.

C’est un domaine où la conception du stellarator peut avoir une longueur d’avance sur la conception du tokamak.

Flux de fraîcheur

Intérieur du stellarator Wendelstein 7-X pendant la maintenance.

Comparés à la conception simple et ronde du tokamak, les stellarators semblent étranges dans le meilleur des cas, mais cela est dû au fait que ces réacteurs à fusion suivent le comportement du plasma au lieu de chercher à le contrôler. La configuration de bobine magnétique d’aspect presque organique est le résultat de la modélisation du plasma pour trouver une configuration qui fonctionne essentiellement avec le plasma surchauffé plutôt que contre lui.

En tant que conception de stellarator moderne, le Wendelstein 7-X (W7-X) intègre tout le savoir-faire de ces appareils complexes. Depuis le premier plasma en 2015, les performances du W7-X ont été essentiellement sans faille, de sorte qu’en 2018, la prochaine série de mises à niveau a commencé. Cela implique entre autres changements l’installation des déviateurs refroidis à l’eau.

En dix doubles bandes incurvées, les plaques de divertor suivent le plasma torsadé à l’intérieur du Wendelstein 7-X. (Crédit : IPP)

Avec les divertors non refroidis, le temps de fonctionnement était limité, mais l’objectif avec le nouveau W7-X amélioré est d’effectuer une exécution continue jusqu’à 30 minutes. Considérant que pour les conceptions de tokamak, une durée d’exécution de plus d’une minute est considérée comme une assez bonne longueur, ce serait une réalisation majeure.

Bien que le W7-X ne soit pas destiné à produire plus d’énergie que ce qui est mis dedans, il remplit la fonction importante de démontrer que la conception du réacteur à fusion Stellarator est au moins aussi performante que la conception du tokamak. Cela rend la prochaine série d’expériences plutôt excitante. Malheureusement, en raison de la pandémie de SRAS-CoV-2 qui occupe le monde depuis plus d’un an maintenant, les mises à niveau du W7-X ont été retardées, de sorte que la reprise des expériences n’aura probablement pas lieu avant l’année prochaine.

Beaucoup à attendre

Une grande partie des réacteurs de fusion nucléaire a été un cours intense et plutôt impitoyable de physique des plasmas et d’autres domaines élémentaires de la physique. Lorsque l’hypothèse optimiste qui avait été faite dans les années 1950 selon laquelle la fusion nucléaire n’était « que dans quelques années » a été durement étouffée lorsque les conceptions à pincement en Z se sont avérées inapplicables, le domaine a semblé s’estomper dans l’opinion du public pendant de nombreuses années.

Avancez rapidement d’innombrables articles scientifiques plusieurs décennies plus tard et il semble que nous puissions maintenant nous considérer avec prudence comme étant à l’aube de réacteurs à fusion nucléaire vraiment fonctionnels. Bien qu’il ne s’agisse pas tout à fait d’un accord « dans les prochaines années », ITER et les tokamaks connexes tels que le CFETR chinois nous donnent de l’espoir pour des réacteurs de type tokamak. Pendant ce temps, les progrès de W7-X constituent une approche alternative qui peut fonctionner aussi bien, pire ou mieux que les tokamaks.

Avec le plasma combustible deutérium-tritium d’ITER encore dans au moins quatorze ans, nous avons beaucoup à attendre avec ces expériences de tokamak en cours dans les laboratoires JET et MAST. Lorsque nous aurons les premiers résultats expérimentaux de W7-X dans les années à venir, ils seront peut-être suffisamment prometteurs pour lancer une version stellarator d’ITER. Quoi qu’il en soit, cette décennie semble être une décennie au cours de laquelle la fusion nucléaire revient lentement sur le devant de la scène.