Extraire des quantités utiles d’énergie de la fusion d’atomes est une entreprise délicate, notamment en raison des difficultés à contrôler les nuages de plasma ultra chaud qui se tortillent.
Nos objectifs en matière de fusion d’énergie propre pourraient se rapprocher un peu plus maintenant que les chercheurs ont modifié leur recette de fusion pour ajouter un nouvel ion au mélange. Cela permet aux chercheurs de mieux comprendre comment les particules chargées à haute énergie se déplacent, non seulement à l’intérieur des réacteurs sur Terre, mais aussi dans les étoiles.
Une équipe de chercheurs du MIT a utilisé des données provenant d’expériences menées sur un type de réacteur de fusion appelé tokamak pour étudier comment l’ajout d’un troisième ion au mélange plus traditionnel de plasma à deux ions peut bouleverser les choses.
Cette approche a permis aux chercheurs de mettre au point un moyen d’analyser l’efficacité de l’accélération des particules chargées à l’aide d’ondes de rayonnement électromagnétique, ce qui est extrêmement important dans notre quête pour obtenir plus d’énergie des réactions de fusion que celle que nous y mettons actuellement.
En principe, la fusion consiste à recombiner les particules subatomiques d’éléments simples et abondants en éléments plus grands, libérant ainsi des quantités utiles d’énergie.
Les avantages seraient énormes. Contrairement à la fission nucléaire, il n’y a théoriquement aucun déchet (et pratiquement très peu), et il n’est pas nécessaire de raffiner les minerais radioactifs pour obtenir du combustible.
La pire chose que l’on puisse dire de ce processus est qu’il libère un grand nombre de neutrons à grande vitesse. Heureusement, ceux-ci peuvent être absorbés par une couverture de lithium, où ils peuvent être recyclés pour fabriquer davantage de combustible.
La fusion pourrait également surpasser la plupart des formes d’énergies renouvelables par sa flexibilité ; il ne serait pas nécessaire de compter sur le bon emplacement ou les conditions météorologiques pour avoir une alimentation électrique prête à l’emploi.
Malheureusement, amener des particules atomiques dans un état où elles peuvent se briser et se reconstituer relève d’une physique assez délicate.
Le Soleil a le luxe de l’espace et d’énormes quantités de gravité pour confiner sa matière. Nous avons besoin d’une technologie capable d’ajouter suffisamment d’énergie pour rapprocher les bons types de particules.
Un dispositif tel que le tokamak Alcator C-Mod du MIT, actuellement en sommeil, y parvient en utilisant des champs magnétiques qui permettent au plasma d’atteindre une température ridicule – de l’ordre de 150 millions de degrés Celsius – sans vaporiser son contenant.
Ce plasma chaud et en mouvement produit ses propres champs électromagnétiques contrastés, ce qui est aussi amusant que cela en a l’air. En fait, cela revient à piéger de la gelée remplie de vers avec des élastiques.
Pour tous ces problèmes, vous voudriez en avoir pour votre argent.
Malgré des décennies de travail acharné, nous sommes tout juste parvenus à faire fonctionner le plasma à un niveau de performance suffisamment élevé pendant des périodes efficaces.
Toute avancée permettant de garder cette gelée sous contrôle plus longtemps, tout en consommant moins d’énergie et en obtenant plus de puissance, est un énorme bonus.
C’est là que cette recherche entre en jeu. L’une des façons de faire bouger le plasma à l’intérieur d’un tokamak est d’utiliser un procédé appelé chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH).
Des antennes situées à l’extérieur du tokamak envoient des ondes radio à la bonne fréquence dans le plasma pour exciter ses particules, un peu comme le four à micro-ondes le plus compliqué du monde.
Pour plus d’efficacité, le plasma est généralement composé de deux types d’ions, par exemple 5 % d’ions hydrogène (ou protons) et 95 % d’ions deutérium (un proton plus un neutron).
Cette différence signifie que les ions hydrogène s’échauffent à des énergies beaucoup plus élevées, ce qui leur permet de percuter le deutérium et de cracher des particules qui entrent à leur tour en collision avec l’enveloppe extérieure du tokamak, produisant de la chaleur qui peut être transformée en énergie.
Que se passe-t-il si l’on ajoute des traces d’un troisième type d’ions ?
Les chercheurs ont utilisé les données d’expériences antérieures menées sur le tokamak Alcator C-Mod, qui consistaient à ajouter un minuscule pour cent d’hélium 3 au mélange, et ont étudié les effets complexes que cela avait sur le comportement du plasma frétillant.
Les chercheurs du Joint European Torus du Royaume-Uni, le plus grand dispositif de fusion d’Europe, ont été tellement impressionnés par les résultats qu’ils les ont reproduits et ont effectué leurs propres mesures.
Les expériences ont révélé que l’ajout d’ions a permis de décupler l’énergie. Les ions hélium ont été poussés dans le domaine des mégaélectronvolts, une magnitude supérieure à tout ce qui avait été réalisé auparavant.
“Ces gammes d’énergie plus élevées se situent dans la même gamme que les produits de fusion activés”, explique le chercheur John C. Wright du Plasma Science and Fusion Center du MIT.
“Pouvoir créer des ions aussi énergétiques dans un dispositif non activé – sans faire une énorme quantité de fusion – est bénéfique, car nous pouvons étudier comment les ions ayant des énergies comparables aux produits de la réaction de fusion se comportent, comment ils seraient confinés.”
Pour clarifier, il ne s’agit pas encore d’un réacteur de fusion en fonctionnement, mais d’un test de prédictions qui nous a donné une technique pour modéliser des mélanges plus complexes qui ont le potentiel de produire plus d’énergie plus efficacement.
Si nos regards se tournent vers des réacteurs plus efficaces sur Terre, les astrophysiciens seraient intéressés par la manière dont ces modèles pourraient contribuer à expliquer la fusion à l’intérieur du Soleil.
La fusion entièrement fonctionnelle n’est pas encore à l’horizon, au moins une bonne décennie ou plus selon les estimations les plus optimistes. Mais il semble qu’elle pourrait devenir une réalité, et ce dans les meilleurs délais.
Cette recherche a été publiée dans Nature Physics.