Le stellarator le plus puissant du monde établit un record pour un paramètre clé de la physique de la fusion : le triple produit
Sur la voie menant à une centrale à fusion, les stellarators comptent parmi les concepts les plus prometteurs. À l’avenir, ils pourraient produire de l’énergie utilisable en fusionnant des noyaux atomiques légers. Cette réaction doit avoir lieu dans un plasma, un gaz chaud composé de particules ionisées chauffées à plusieurs dizaines de millions °C. Les stellarators utilisent le confinement magnétique pour retenir le plasma : celui-ci est piégé par un champ magnétique complexe et puissant, flottant à l’intérieur d’une chambre à vide en forme de beignet.
Avec Wendelstein 7-X (W7-X), l’Institut Max Planck de physique des plasmas (IPP) de Greifswald, avec le soutien du consortium européen EUROfusion, mène l’expérience la plus grande et la plus puissante au monde dans ce domaine. W7-X est conçu pour démontrer que les stellarators peuvent, dans la pratique, atteindre les propriétés exceptionnelles prévues par la théorie et ainsi se qualifier comme concept pour les futures centrales à fusion.
Meilleur triple produit au monde pour des durées de plasma longues
Au cours de la campagne OP 2.3, qui s’est terminée le 22 mai, l’équipe internationale du W7-X a établi un nouveau record mondial pour le triple produit dans les décharges de plasma longues : lors de cette dernière journée, elle a maintenu une nouvelle valeur maximale de ce paramètre clé de la fusion (voir explication ci-dessous) pendant 43 secondes. Wendelstein 7-X a ainsi surpassé les meilleures performances des dispositifs de fusion de type tokamak pour des durées de plasma plus longues.
Les tokamaks reposent également sur le confinement magnétique, mais sont beaucoup mieux étudiés en raison de leur conception plus simple. Les valeurs les plus élevées pour le triple produit ont été atteintes par le tokamak japonais JT60U (mis hors service en 2008) et l’installation européenne JET en Grande-Bretagne (mise hors service en 2023). Avec des durées de plasma courtes de quelques secondes seulement, ils restent clairement en tête. En termes de durées de plasma plus longues, qui sont importantes pour une future centrale électrique, Wendelstein 7-X est désormais en tête, même si JET avait un volume de plasma trois fois plus important. La taille facilite considérablement l’atteinte de températures élevées dans les réacteurs à fusion.
« Ce nouveau record est une formidable réussite de l’équipe internationale. Il démontre de manière impressionnante le potentiel de Wendelstein 7-X. L’élévation du triple produit au niveau des tokamaks pendant de longues impulsions de plasma marque une autre étape importante vers un stellarator capable d’alimenter une centrale électrique », déclare le professeur Thomas Klinger, directeur des opérations à Wendelstein 7-X et directeur de la dynamique et du transport des stellarators à l’IPP.
La clé du succès : le nouvel injecteur de pastilles du laboratoire national d’Oak Ridge
Le nouveau record mondial du triple produit pour les impulsions longues a été rendu possible grâce à l’étroite collaboration entre l’équipe européenne Wendelstein 7-X à Greifswald et ses partenaires américains. Le nouvel injecteur de pastilles (plus de détails à la fin de cet article) a joué un rôle clé. Il injecte des pastilles d’hydrogène congelées dans le plasma, permettant ainsi de longues durées de plasma grâce à un ravitaillement continu. Le laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) du département américain de l’Énergie (DOE), situé dans le Tennessee, a développé cet injecteur hautement sophistiqué et unique au monde, et l’a mis en service avec succès à Wendelstein 7-X.
Au cours de cette expérience record, environ 90 pastilles d’hydrogène congelées, chacune d’environ un millimètre, ont été injectées en 43 secondes, tandis que de puissantes micro-ondes chauffaient simultanément le plasma. Une coordination précise entre le chauffage et l’injection des pastilles était essentielle pour atteindre l’équilibre optimal entre la puissance de chauffage et l’approvisionnement en combustible. La clé a été d’utiliser pour la première fois l’injecteur de pastilles avec des fréquences d’impulsion variables préprogrammées, un système exécuté avec une précision impressionnante. Cette méthode est directement applicable aux futurs réacteurs à fusion et pourrait permettre de prolonger la durée du plasma à plusieurs minutes.
L’utilisation de pastilles a été rendue possible grâce aux travaux préliminaires menés par plusieurs laboratoires européens, notamment les calculs de simulation du Centre de recherche sur l’énergie, l’environnement et la technologie (CIEMAT) en Espagne et les observations à l’aide de caméras ultra-rapides du Centre de recherche sur l’énergie HUN-REN à Budapest. Le système de chauffage par micro-ondes (plus précisément : résonance cyclotronique électronique) a été développé en collaboration avec l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et une équipe de l’université de Stuttgart. Il est considéré comme la méthode la plus prometteuse pour amener le plasma à des températures pertinentes pour la fusion.
Au cours de cette expérience record, la température du plasma a été élevée à plus de 20 millions de degrés Celsius, atteignant un pic de 30 millions de degrés. Les mesures permettant de calculer le triple produit ont été fournies, entre autres, par le Laboratoire de physique des plasmas de Princeton, qui exploite un spectromètre à rayons X pour le diagnostic de la température des ions au W7-X. Les données nécessaires sur la densité électronique provenaient de l’interféromètre unique au monde de l’IPP. Le temps de confinement de l’énergie nécessaire au calcul du triple produit a également été déterminé à l’aide d’outils de diagnostic développés à l’IPP.
Autres faits marquants de la campagne OP 2.3
Au cours de la campagne expérimentale OP 2.3, Wendelstein 7-X a franchi deux nouvelles étapes importantes :
1- Le rendement énergétique a été porté à 1,8 gigajoules (durée du plasma : 360 secondes). Le précédent record, établi en février 2023, était de 1,3 gigajoules. Le rendement énergétique est calculé comme le produit de la puissance de chauffage injectée et de la durée du plasma. Le maintien d’un apport énergétique élevé continu et l’évacuation de la chaleur générée sont des conditions préalables au fonctionnement futur de la centrale. La meilleure valeur correspondante pour la décharge de 1 000 secondes dans le Tokamak EAST (Chine) a même été légèrement dépassée par Wendelstein 7-X.
2- La pression du plasma par rapport à la pression magnétique a atteint pour la première fois 3 % sur l’ensemble du volume du plasma. Dans une série d’expériences dédiées, le champ magnétique a été délibérément réduit à environ 70 %, ce qui a permis de diminuer la pression magnétique et d’augmenter la pression du plasma. Ce rapport est un paramètre clé pour l’extrapolation à une centrale à fusion, où 4 à 5 % sur l’ensemble du volume seront nécessaires. La nouvelle valeur record s’est accompagnée d’une température ionique maximale d’environ 40 millions de degrés Celsius.
Le professeur Robert Wolf, responsable du chauffage et de l’optimisation du stellarator à l’IPP, résume ainsi : « Les records de cette campagne expérimentale sont bien plus que de simples chiffres. Ils représentent une avancée significative dans la validation du concept du stellarator, rendue possible grâce à une collaboration internationale exceptionnelle. »
Plus d’informations sur le produit triple
Le produit triple, également appelé critère de Lawson, est l’indicateur clé du succès dans la voie menant à une centrale à fusion. Ce n’est que lorsqu’un certain seuil est dépassé qu’un plasma peut produire plus d’énergie de fusion que l’énergie de chauffage investie. Cela marque le point où le bilan énergétique devient positif et où la réaction de fusion peut se maintenir sans chauffage externe continu.
Pour une centrale à fusion, le seuil requis est :
n∙T∙𝜏 = 3 × 10²¹ m⁻³ keV s
Le triple produit est dérivé de trois facteurs :
- la densité des particules du plasma n,
- sa température T (plus précisément : la température des ions entre lesquels se produisent les réactions de fusion) et
- le temps de confinement de l’énergie 𝜏 (prononcé : tau), c’est-à-dire le temps nécessaire à l’énergie thermique pour s’échapper du plasma si aucune chaleur supplémentaire n’est fournie. Le temps de confinement est donc une mesure de l’isolation thermique.
Plus d’informations sur l’injecteur de pastilles
Depuis septembre 2024, le nouvel injecteur de pastilles à fonctionnement continu est utilisé avec succès.
Il a été développé au Oak Ridge National Laboratory, un centre de recherche du département américain de l’Énergie, spécialement pour Wendelstein 7-X, et constitue une référence mondiale dans sa catégorie.
L’injecteur de pastilles assure un apport constant de particules d’hydrogène dans le plasma, une condition essentielle pour les futures centrales à fusion.
Le dispositif forme en continu un filet d’hydrogène congelé de 3 millimètres de diamètre, à partir duquel des pastilles cylindriques de 3,2 millimètres de long sont découpées à des intervalles de quelques fractions de seconde et projetées dans le plasma à une vitesse de 300 à 800 mètres par seconde.
Source : Max Planck
