La fusion nucléaire pour la génération contrôlée et régulière d'énergie électrique en convertissant l'hydrogène en hélium et en reproduisant à petite échelle ce qui se passe dans les étoiles est l'une des premières promesses technologiques des prochaines décennies. Jusque là, seuls des résultats limités ont été obtenus dans les expériences de laboratoire. Maintenant, un prototype de réacteur appelé ITER est en construction dans le sud de la France. Sa capacité nominale est de 500 mégawatts, et le plan est d'aller vivre en 2025. Les membres du consortium ITER sont la Chine, l'Union européenne, Inde, Japon, Russie, Corée du Sud et États-Unis. Le coût du mégaprojet devrait dépasser les 20 milliards d'euros.
ITER ne captera pas l'énergie qu'il produit sous forme d'électricité, mais ce sera le premier tokamak à produire de l'énergie nette, c'est à dire., plus de puissance que la quantité d'énergie thermique injectée pour chauffer le plasma. Il permettra aux scientifiques d'en savoir plus sur la gestion des multiples complexités techniques de la fusion nucléaire, ouvrant la voie aux machines qui l'utilisent pour alimenter le réseau en électricité. Le terme tokamak vient de l'acronyme russe pour chambre toroïdale à bobines magnétiques.
Il sera crucial de faire en sorte que le processus de fusion nucléaire puisse devenir autonome et d'éviter les pertes d'énergie par rayonnement électromagnétique et particules alpha, car ces pertes permettraient au réacteur de se refroidir. Les résultats expérimentaux observés au cours des 20 dernières années ont montré que la manière dont les ions rapides (y compris les particules alpha) sont éjectés du plasma varie fortement d'un tokamak à l'autre. Jusque récemment, personne ne comprenait quelles conditions expérimentales déterminaient ce comportement.
Le problème a maintenant été élucidé par Vinícius Njaim Duarte, un jeune chercheur brésilien. Duarte est actuellement engagé dans une recherche postdoctorale au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) aux États-Unis. Il est l'auteur principal de l'article, intitulé "Théorie et observation de l'apparition de structures non linéaires dues à la déstabilisation des modes propres par les ions rapides dans les tokamaks, " publié dans le Revue Physique des Plasmas .
Les recherches de Duarte ont tellement attiré l'attention que les chercheurs du plus grand tokamak américain, DIII-D, a mené des expériences pour tester le modèle qu'il a proposé. Les résultats ont confirmé les prédictions du modèle.
Le physicien Ricardo Magnus Osório Galvão a déclaré :"Les ondes électromagnétiques excitées par des particules rapides dans les tokamaks peuvent afficher des variations soudaines de fréquence, connu sous le nom de gazouillis. Personne n'a compris pourquoi cela se produisait sur certaines machines et pas sur d'autres. En utilisant une modélisation numérique complexe et des données expérimentales, Duarte a montré que l'apparition ou non d'un gazouillis – et donc de la nature des pertes de particules et d'énergie – dépend du niveau de turbulence dans le plasma confiné dans le tokamak. Des réactions de fusion nucléaire ont lieu dans ce plasma. Le gazouillis se produit s'il n'est pas très turbulent. Avec de fortes turbulences, il n'y a pas de gazouillis."
La fusion nucléaire est distincte de la fission nucléaire, le procédé utilisé dans les centrales nucléaires existantes dans le monde. En fission, les noyaux atomiques d'éléments lourds tels que l'uranium 235 divisés en noyaux d'éléments plus légers - krypton et baryum, dans ce cas. Cette fission libère de l'énergie, un rayonnement électromagnétique, et des neutrons qui à leur tour se divisent dans une réaction en chaîne qui maintient le processus en cours.
Dans la fusion nucléaire, les noyaux atomiques d'éléments plus légers tels que les isotopes d'hydrogène deutérium (un proton et un neutron) et le tritium (un proton et deux neutrons) fusionnent pour former des noyaux d'éléments plus lourds - dans ce cas, l'hélium (deux protons et deux neutrons) et libère de l'énergie.
"Pour que la fusion nucléaire soit possible, il faut vaincre la répulsion électrostatique entre les ions positifs, " Galvão a expliqué. "Cela ne se produit que si le plasma formé par les noyaux des éléments légers est chauffé à des températures extrêmement élevées, de l'ordre de dizaines à centaines de millions de degrés Celsius.
Chez ITER, par exemple, 840 mètres cubes de plasma sont chauffés à 150 millions de degrés Celsius, plus de dix fois la température du noyau solaire. "A ce genre de température, vous atteignez le seuil de rentabilité énergétique. L'énergie libérée par les réactions de fusion est suffisante pour égaler l'énergie nécessaire pour chauffer le plasma, " a déclaré Galvao.
Le processus se déroule dans la chambre toroïdale à l'intérieur du tokamak. Un tore a la forme d'un beignet. Le solide contenu par la surface est appelé tore.
Le processus de fusion nucléaire se déroule comme suit :Un vide est produit dans la chambre, qui est ensuite rempli de gaz. Une décharge électrique ionise le gaz, qui est chauffé par des ondes radio à haute fréquence. Un champ électrique induit dans la chambre toroïdale soumet le gaz à un courant extrêmement intense (environ 1 million d'ampères, dans le cas du DIII-D), qui chauffe encore plus le gaz par effet Joule. Encore plus d'énergie est injectée par les ondes électromagnétiques jusqu'à ce que la température requise pour déclencher la fusion nucléaire soit atteinte. Même un petit tokamak, comme celui installé à l'Université de São Paulo, atteint des températures de l'ordre de 100 millions de degrés.
"A ces températures extrêmement élevées, les ions vibrent si fort qu'ils entrent en collision et surmontent la répulsion électrostatique, " Galvão a déclaré. "Un puissant champ magnétique confine le flux de plasma et l'éloigne des parois du vaisseau. Les particules alpha hautement énergisées [noyaux d'hélium] entrent en collision avec d'autres particules dans le plasma, en le gardant chaud et en soutenant la réaction de fusion."
Une analogie suggérée par Galvão serait un feu de joie fait de bois humide, qui ne s'enflammera pas facilement au début mais qui finira par s'enflammer après avoir atteint une certaine température, et la combustion de plus en plus stable produit suffisamment d'énergie pour vaincre l'humidité. Le plasma atteint le point d'inflammation lorsque les particules alpha commencent à réinjecter de manière constante dans le processus.
Parmi les nombreux avantages de la fusion par rapport à la fission, il y a le fait que la fusion implique un mécanisme d'autocontrôle :une fois le point d'inflammation atteint, si ce niveau de température est largement dépassé, c'est-à-dire si le plasma surchauffe, la réaction ralentit automatiquement. Ainsi, fusion du réacteur, l'une des complications les plus dangereuses des accidents dans les centrales électriques utilisant la fission nucléaire, ne pouvait pas se produire dans une centrale de fusion nucléaire.
Le problème est que l'interaction résonante entre les particules alpha et les ondes présentes dans le plasma peut exciter des oscillations électromagnétiques, voire conduire à l'éjection de particules alpha. Cela peut entraîner une perte d'énergie, refroidissement par plasma et interruption possible de la fusion nucléaire. Comprendre les causes de ce problème et les facteurs qui peuvent l'empêcher est fondamental pour assurer la durabilité du processus et l'utilisation de la fusion nucléaire comme source viable d'électricité.
"Ce que Duarte a découvert, c'est que ce résultat se produit de manière auto-organisée, avec la production de gazouillis, si le plasma n'est pas très turbulent. Si la turbulence est élevée, cependant, ce n'est pas le cas, " a déclaré Galvão [voir ci-dessous pour une interview avec Vinícius Njaim Duarte].
Le nœud du problème est que dans un fluide très turbulent, il n'y a pas de direction préférentielle, Galvao a expliqué, offrant une autre analogie pour aider à illustrer sa signification.
"Quand tu chauffes de l'eau lentement, vous créez une cellule de convection dans le conteneur. L'eau chaude monte, et les éviers d'eau froide. Cela continue jusqu'à ce que toute l'eau atteigne le point d'ébullition, " dit-il. " Le milieu devient alors turbulent, la cellule de convection est détruite, et l'énergie se répand indistinctement dans toutes les directions. Cela se produit également dans le plasma magnétiquement confiné. Son apparition empêche la création d'un système auto-organisé qui entretient une onde électromagnétique associée indésirable. Il n'y a pas assez de cohérence pour générer des ondes. Ainsi, la perte d'énergie qui mettrait fin au processus de fusion ne se produit pas.
"Duarte avait déjà publié un article sur ce modèle lors de sa thèse de doctorat, mais personne n'avait réalisé d'expérience pour contrôler le niveau de turbulence et voir si le modèle s'appliquait ou non. Cela a maintenant été mené par General Atomics à DIII-D, spécifiquement pour tester le modèle, ce qui a été prouvé par le résultat."
Les physiciens expérimentateurs savaient déjà empiriquement comment induire des turbulences plus élevées ou plus faibles, mais ils ne savaient pas que cela affecterait la nature spectrale des ondes associées à la structure des particules. La contribution de Duarte consiste à identifier le mécanisme de contrôle clé et à expliquer pourquoi. En termes d'applications technologiques, cela établit une turbulence optimale-assez pour empêcher la particule auto-organisée et la perte d'énergie, mais pas assez pour avoir d'autres effets indésirables sur le confinement global du plasma.
Jusqu'à maintenant, les tokamaks ont été utilisés à l'échelle du laboratoire. ITER sera le premier prototype de tokamak capable de produire efficacement de l'électricité par fusion nucléaire. Le recours à la fusion nucléaire contrôlée n'est pas sans controverse, mais selon ses partisans, c'est sûr, peut produire une quantité d'énergie pratiquement illimitée, et ne crée pas de déchets radioactifs, tout comme les réacteurs à fission.
