Des physiciens américains viennent de révéler leur intention de construire les dispositifs de fusion nucléaire les plus viables jamais réalisés

Les physiciens du monde entier se sont lancés dans une course à la construction d’une machine à fusion nucléaire capable de reproduire le processus de fusion des atomes qui alimente notre Soleil depuis 4,5 milliards d’années, dans le but de fournir à l’humanité une énergie propre, sûre et pratiquement illimitée.

Le gouvernement américain vient de soutenir le projet de construction par des physiciens d’un nouveau type de dispositif de fusion nucléaire qui pourrait être le plus viable et le plus efficace à ce jour.

La fission nucléaire – c’est ce que font nos installations nucléaires actuelles – génère de l’énergie en divisant le noyau d’un atome en neutrons et noyaux plus petits.

Si ce processus est super efficace – la quantité d’énergie qu’il libère est des millions de fois plus efficace par masse que les processus basés sur le charbon – il nécessite une gestion extrêmement coûteuse des dangereux déchets radioactifs.

La fusion nucléaire, en revanche, ne produit aucun déchet radioactif ou autre sous-produit indésirable. Elle génère d’énormes quantités d’énergie lorsque les noyaux de deux atomes légers ou plus fusionnent en un seul noyau plus lourd à des températures incroyablement élevées. Elle est si efficace qu’elle alimente notre soleil depuis 4,5 milliards d’années.

Si nous parvenons à “miniaturiser” ce processus et à construire des machines capables d’assurer la fusion nucléaire à plus petite échelle, l’humanité sera pratiquement assurée de pouvoir satisfaire ses besoins énergétiques aussi longtemps qu’elle existera.

Mais cela fait maintenant plus de 60 ans que les physiciens essaient de construire des dispositifs de fusion nucléaire commercialement viables, et il s’avère que mettre une “étoile dans un bocal” est aussi difficile qu’il y paraît.

Comme nous l’avons expliqué plus tôt dans l’année, la principale difficulté réside dans le fait que les machines de fusion nucléaire nécessitent des températures bien plus élevées que les installations de fission.

Alors que la fission nucléaire exige que les choses soient chauffées à quelques centaines de degrés Celsius, les machines à fusion nucléaire doivent recréer les conditions du Soleil, c’est-à-dire plusieurs millions de degrés.

Et comme les machines à fusion nucléaire commencent leurs réactions à partir de zéro, il faut d’abord atteindre des températures bien plus élevées que celles que l’on estime exister au centre du Soleil – au moins 100 millions de degrés Celsius.

Jusqu’à présent, une équipe de physiciens du stellarator Wendelstein 7-X de Greifswald, en Allemagne, et des chercheurs du Tokamak supraconducteur expérimental avancé (EAST), en Chine, se sont approchés le plus près du rêve d’une énergie illimitée, en essayant de retenir le plasma surchauffé résultant de la réaction de fusion.

“Au cours du processus de fusion nucléaire, les électrons des atomes sont séparés de leurs noyaux, créant ainsi un nuage super chaud d’électrons et d’ions (les noyaux moins leurs électrons) appelé plasma”, explique Daniel Oberhaus pour Motherboard.

“Le problème avec ce plasma riche en énergie est de trouver comment le contenir, car il existe à des températures extrêmement élevées (jusqu’à 150 millions de degrés Celsius, soit 10 fois la température au cœur du Soleil). Tous les matériaux que l’on peut trouver sur Terre ne feront pas une très bonne jarre”

Pour vous donner une idée de la difficulté de la tâche, plus tôt cette année, la machine de fusion nucléaire allemande a réussi à chauffer de l’hydrogène gazeux à 80 millions de degrés Celsius, et à maintenir un nuage de plasma d’hydrogène pendant un quart de seconde. Ce résultat peut sembler anodin, mais il a été salué comme une étape importante.

L’installation chinoise a depuis prétendu avoir fait mieux, annonçant en février qu’elle avait produit du plasma d’hydrogène à 49,999 millions de degrés Celsius et l’avait conservé pendant 102 secondes.

Jusqu’à présent, aucune des deux machines n’a été en mesure de prouver qu’elle pouvait produire une quantité soutenue d’énergie par fusion nucléaire, mais seulement qu’elle pouvait chauffer suffisamment les matériaux pour lancer le processus.

Mais aujourd’hui, les physiciens du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du ministère américain de l’énergie pensent avoir une meilleure solution.

Une machine à fusion nucléaire revient à essayer de mettre une étoile dans un bocal. L’équipe du PPPL veut redessiner le bocal, en utilisant de meilleurs matériaux et une forme plus intuitive.

Alors que les machines de fusion nucléaire traditionnelles, appelées tokamaks, utilisent des champs magnétiques pour contenir le plasma surchauffé dans un dispositif en forme de beignet, les physiciens américains veulent construire des tokamaks sphériques plus compacts, ayant plutôt la forme d’une pomme évidée.

Tokamak traditionnel en forme de beignet. Crédit : Matthias W Hirsch/Wikimedia

Comme l’explique l’équipe dans un article récent, la conception sphérique permet de réduire de moitié la taille du trou dans la forme de beignet, ce qui permet de contrôler le plasma avec des champs magnétiques beaucoup moins énergétiques

Le trou plus petit pourrait également permettre la production de tritium – un isotope rare de l’hydrogène – qui peut fusionner avec un autre isotope de l’hydrogène, appelé deutérium, pour produire des réactions de fusion.

L’équipe souhaite également remplacer les énormes aimants en cuivre des tokamaks traditionnels par des aimants supraconducteurs à haute température, beaucoup plus efficaces, car l’électricité peut y circuler sans résistance.

Heureusement, ils ne partiront pas de zéro. Ils vont appliquer leurs concepts à deux tokamaks sphériques existants : le tokamak sphérique Mega Ampere (MAST ) du Royaume-Uni, qui est en phase finale de construction, et le National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) du PPPL, qui a été mis en service l’année dernière.

“Nous ouvrons de nouvelles options pour les futures centrales”, a déclaré l’un des chercheurs à l’origine de l’étude, le directeur du programme NSTX-U, Jonathan Menard, dans un communiqué.

“Ces installations repousseront les limites de la physique, élargiront notre connaissance des plasmas à haute température et, en cas de succès, jetteront les bases scientifiques des voies de développement de la fusion basées sur des modèles plus compacts”, a ajouté Stewart Prager, directeur du PPPL.

Nous devrons attendre et voir les résultats, mais le monde entier s’intéresse à ce que NSTX-U et MAST peuvent faire, et nous espérons qu’ils pourront surpasser les efforts existants et nous rapprocher de nos rêves d'”étoile dans un bocal”.

Les recherches ont été publiées dans Nuclear Fusion.