Les physiciens qui travaillent sur un type de réacteur à fusion appelé “stellarator” se rapprochent de l’exploitation effective de la puissance de la fusion nucléaire.
Selon un nouvel article, le stellarator Wendelstein 7-X, en Allemagne, est désormais capable de contenir une chaleur qui atteint des températures deux fois plus élevées que celles que l’on trouve au cœur du Soleil. Cela signifie que les physiciens sont parvenus à réduire les pertes de chaleur, ce qui constitue une avancée majeure dans la technologie des stellarateurs.
“C’est une nouvelle vraiment passionnante pour la fusion que cette conception ait réussi”, a déclaré le physicien Novimir Pablant du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL). “Cela montre clairement que ce type d’optimisation peut être réalisé”
L’énergie de fusion est au centre des efforts de développement énergétique dans le monde entier. En théorie, elle repose sur l’exploitation de l’énergie libérée lorsque les noyaux d’un plasma fusionnent pour produire un élément plus lourd : le même processus qui se produit dans le cœur des étoiles. Si nous y parvenions, les avantages seraient énormes : une énergie propre, à haut rendement et pratiquement inépuisable.
Mais c’est plus facile à dire qu’à faire. La fusion est un processus extrêmement énergétique, et il n’est pas facile de le contenir. L’énergie de fusion a fait l’objet de premières recherches dans les années 1940. Des décennies plus tard, les réacteurs de fusion ne produisent toujours pas autant d’énergie qu’ils n’en perdent, et ce dans une proportion assez importante – bien que l’écart se réduise.
La technologie de fusion qui bat actuellement des records de température est le tokamak – une boucle de plasma en forme de beignet piégée dans une enveloppe de champs magnétiques, entraînée à grande vitesse par impulsions rapides. Cette relative simplicité permet de le contenir à des températures élevées, mais uniquement en rafales.
Les stellarators, quant à eux, reposent sur une configuration incroyablement complexe d’aimants élaborés par une IA capable de diriger le plasma pour le maintenir en mouvement. Ils sont assez difficiles à concevoir et à construire, ce qui a donné lieu à des stellarators qui perdent une grande partie de l’énergie produite par la fusion, sous forme de perte de chaleur.
Wendelstein 7-X. (Bernhard Ludewig/Max Planck Institute of Plasma Physics)
Cette perte de chaleur est le résultat d’un processus appelé transport néoclassique, dans lequel la collision des ions dans un réacteur de fusion entraîne la diffusion du plasma vers l’extérieur. Son effet est plus important dans les stellarators que dans les tokamaks.
Comme les tokamaks présentent leurs propres inefficacités, les chercheurs du PPPL et de l’Institut Max Planck pour la physique des plasmas ont cherché à façonner les aimants de W7-X pour tenter de réduire les effets du transport néoclassique. Et maintenant, des mesures, effectuées à l’aide d’un instrument appelé XICS (X-ray imaging crystal spectrometer), ont révélé des températures très élevées à l’intérieur du réacteur.
Ces résultats sont corroborés par les mesures de la spectroscopie de recombinaison par échange de charges (CXRS), qui sont censées être plus précises que les mesures XICS, mais qui n’ont pas pu être effectuées dans toutes les conditions.
Mais les deux ensembles de données concordant, il semble que le stellarator ait pu atteindre des températures de près de 30 millions de kelvins.
L’équipe a constaté que cela ne serait possible que si le transport néoclassique avait été fortement réduit. Ils ont effectué une modélisation pour déterminer la quantité de chaleur qui serait perdue par le transport néoclassique si W7-X n’avait pas été optimisé, et ils ont constaté que 30 millions de Kelvin n’étaient pas du tout dans la fourchette.
“Cela a montré que la forme optimisée de W7-X réduisait le transport néoclassique et était nécessaire pour les performances observées dans les expériences W7-X”, a déclaré Pablant. “C’était une façon de montrer l’importance de l’optimisation”
Ce résultat passionnant représente une étape importante dans le raffinement de la conception du stellarator, une étape qui informera et façonnera les efforts futurs.
Il s’agit également d’un pas important vers un réacteur de fusion pratique, même s’il reste encore beaucoup de travail à faire. Pour qu’un réacteur de fusion soit pratique, il doit non seulement avoir des températures élevées, mais aussi la bonne densité de plasma et des temps de confinement décents. Si les tokamaks fonctionnent à des températures plus élevées, la réduction de l’énergie perdue permet d’assurer que la technologie du stellarator pourrait encore avoir un avantage.
“Réduire le transport néoclassique n’est pas la seule chose à faire”, a déclaré M. Pablant. “Il y a tout un tas d’autres objectifs qui doivent être démontrés, notamment le fonctionnement stable et la réduction du transport turbulent.”
Différentes technologies de réacteurs à fusion nucléaire étant actuellement en cours de développement, il semble que ce ne soit qu’une question de temps avant que l’une d’entre elles ne se concrétise. Il faudra peut-être attendre un certain temps avant que l’énergie générée par la fusion n’atteigne nos réseaux électriques, mais lorsque ce sera le cas, elle pourrait bien changer le monde.
W7-X fait actuellement l’objet de travaux de modernisation et reprendra ses activités en 2022.
Les recherches ont été publiées dans Nature.