La fusion nucléaire et le lithium liquide : une nouvelle perspective pour l’énergie du futur

Une recherche récente suggère que l’utilisation de lithium liquide pourrait faciliter l’exploitation de la fusion nucléaire comme source d’énergie. Cette découverte ouvrirait le chemin à une alternative plus propre aux combustibles fossiles.

Le plasma et la fusion : une source d’énergie prometteuse

Le plasma, quatrième état de la matière, est un gaz chaud composé de particules chargées électriquement. Les scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département de l’Énergie des États-Unis travaillent sur des solutions pour exploiter efficacement la puissance de la fusion à l’aide de dispositifs appelés tokamaks, qui confinent le plasma à l’aide de champs magnétiques.

« L’objectif de ces dispositifs est de confiner l’énergie », a précisé Dennis Boyle, physicien de recherche au PPPL. « Si nous avions une meilleure confinement de l’énergie, nous pourrions rendre les machines plus petites et moins coûteuses. Cela rendrait l’ensemble beaucoup plus pratique et rentable, incitant davantage les gouvernements et l’industrie à investir. »

Le lithium liquide : une avancée significative

Les nouvelles découvertes font partie de l’expérience Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) du laboratoire. Dans des expériences récentes, un revêtement de lithium liquide ajouté à l’intérieur de la paroi du tokamak a aidé le plasma à rester chaud à son bord. Maintenir un bord chaud est essentiel à leur approche unique, que les scientifiques espèrent contribuer un jour à la conception d’une centrale de fusion.

Richard Majeski, physicien de recherche principal au PPPL et responsable du LTX-β, a noté que l’un des plus grands défis dans le développement de l’énergie de fusion est de construire une paroi viable pour le dispositif confinant le plasma. Le PPPL est dédié à trouver des solutions à ce défi et à d’autres pour aider à combler les lacunes dans l’apport de l’énergie de fusion au réseau électrique.

Les avantages du lithium liquide

Le lithium liquide pourrait réduire le besoin de réparations, agissant comme un bouclier pour les parois internes du dispositif lorsqu’elles sont exposées à la chaleur extrême du plasma. Le lithium liquide a absorbé environ 40% des ions hydrogène s’échappant du plasma, de sorte que moins de ces particules ont été recyclées dans le plasma sous forme de gaz neutre relativement froid. Les scientifiques appellent cela un environnement à faible recyclage, car une grande partie des ions hydrogène expulsés du plasma ne sont pas recyclés de manière à refroidir le bord du plasma.

En fin de compte, cet environnement à faible recyclage a permis à la température au bord du plasma d’être plus proche de la température au cœur du plasma. Cette uniformité de température devrait permettre au plasma de mieux confiner la chaleur qu’il ne l’aurait probablement fait sans le lithium liquide, en évitant une variété d’instabilités.

Le lithium liquide et la densité du plasma

Le lithium liquide a également permis une augmentation de la densité du plasma lorsqu’un faisceau de particules neutres à haute énergie a été injecté pour chauffer et alimenter le plasma. Avec le lithium solide, seule une petite augmentation de la densité a été démontrée. Lorsque le faisceau neutre a été utilisé, les ions hydrogène ajoutés ont repoussé les ions hydrogène déjà présents dans le plasma dans un processus connu sous le nom d’échange de charge.

Les chercheurs pensent que la différence clé est due à une petite quantité de lithium qui s’est évaporée des parois liquides du réacteur et est entrée dans le plasma. Cette impureté de lithium dans le plasma a modifié la dynamique de l’échange de charge et a permis au plasma de retenir les ions hydrogène ajoutés par le faisceau neutre sans éjecter d’autres ions hydrogène, entraînant une augmentation globale de la densité du plasma.

« Mettre en œuvre des parois de lithium liquide dans un tokamak beaucoup plus grand sera difficile et coûteux. Pour avancer avec confiance avec des parois de lithium liquide dans une future phase de NSTX-U, des expériences exploratoires à plus petite échelle sont essentielles. LTX-β est justement cette expérience », a conclu Richard Majeski.

Légende illustration : Cette vue de l’intérieur du LTX-β montre à quoi ressemble le dispositif de confinement du plasma en forme de beignet après que le lithium a été nettoyé des parois de l’enveloppe et que plusieurs ports ont été ouverts. Dennis Boyle, chercheur physicien au PPPL, jette un coup d’œil au centre droit. Crédit : Elle Starkman/PPPL Office of Communications