Une nouvelle loi libère l’énergie de fusion

Dans le cadre d’une vaste collaboration européenne, des physiciennes et physiciens de l’EPFL ont révisé l’une des lois fondamentales qui sont à l’origine de la recherche sur le plasma et la fusion depuis plus de trois décennies, et qui régissent même la conception de grands projets comme ITER. Cette révision révèle que l’on peut utiliser en toute sécurité une plus grande quantité d’hydrogène dans les réacteurs à fusion, et obtenir ainsi plus d’énergie qu’on ne le pensait auparavant.

La fusion est l’une des sources d’énergie les plus prometteuses de demain. Elle implique la combinaison de deux noyaux atomiques en un seul, libérant ainsi d’importantes quantités d’énergie. En réalité, la fusion fait partie de notre quotidien: la chaleur du Soleil provient de la fusion de noyaux d’hydrogène en atomes d’hélium plus lourds.

Un grand projet international de recherche sur la fusion appelé ITER est en cours. Il vise à recréer les processus de fusion du Soleil pour produire de l’énergie sur la Terre. Son objectif est la création d’un plasma à haute température qui fournit l’environnement idéal pour que la fusion ait lieu et produise de l’énergie.

Les plasmas – un état ionisé de la matière similaire à un gaz – sont constitués de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement. Ils sont presque un million de fois moins denses que l’air que nous respirons. Les plasmas sont créés en soumettant le «combustible de fusion» – les atomes d’hydrogène – à des températures extrêmement élevées (10 fois celle du noyau du Soleil), ce qui force les électrons à se séparer de leur noyau atomique. Le processus a lieu dans une structure en forme d’anneau («toroïdale») appelée «tokamak».

« Afin de produire un plasma pour la fusion, trois éléments sont à prendre en compte: une température élevée, une densité élevée d’hydrogène et un bon confinement », explique Paolo Ricci du Swiss Plasma Center (EPFL), l’un des principaux instituts de recherche sur la fusion au monde.

Dans le cadre d’une vaste collaboration européenne, l’équipe de Paolo Ricci vient de publier une étude qui révise un principe fondamental de la génération de plasma et montre que le futur tokamak ITER peut fonctionner avec deux fois plus d’hydrogène et donc produire plus d’énergie de fusion que prévu.

« L’une des limites de la production de plasma dans un tokamak est la quantité d’hydrogène que l’on peut y injecter », indique Paolo Ricci. « Depuis les débuts de la fusion, on sait que si l’on essaie d’augmenter la densité du combustible, il se produit à un moment donné une “perturbation”. En gros, on perd totalement le confinement et le plasma part n’importe où. Dans les années 1980, on a essayé de trouver une sorte de loi permettant de prédire la densité maximale d’hydrogène que l’on peut mettre dans un tokamak. »

La réponse est arrivée en 1988, lorsque Martin Greenwald, spécialiste de la fusion, a publié une loi célèbre qui établit une corrélation entre la densité du combustible, le rayon mineur du tokamak (le rayon du cercle interne de l’anneau) et le courant qui circule dans le plasma à l’intérieur du tokamak. Dès lors, la « limite de Greenwald » est un principe fondamental de la recherche sur la fusion. La stratégie de construction du tokamak ITER repose sur ce principe.

« Martin Greenwald a établi la loi de manière empirique, c’est-à-dire entièrement à partir de données expérimentales, et non à partir d’une théorie testée ou de ce que nous appellerions des premiers principes », explique Paolo Ricci. « Pourtant, la limite a plutôt bien fonctionné pour la recherche. Et, dans certains cas, comme celui de DEMO (le successeur d’ITER), cette équation constitue une limite importante à leur fonctionnement, car elle dit que l’on ne peut pas augmenter la densité du combustible au-delà d’un certain seuil. »

En collaboration avec des équipes d’autres tokamaks, le Swiss Plasma Center a conçu une expérience permettant d’utiliser une technologie très sophistiquée pour contrôler avec précision la quantité de combustible injectée dans un tokamak. Les expériences massives ont été réalisées dans les plus grands tokamaks du monde, le Joint European Torus (JET) au Royaume-Uni, l’ASDEX Upgrade en Allemagne (Institut Max Planck) et le tokamak TCV de l’EPFL. Ce vaste effort expérimental a été rendu possible par le Consortium EUROfusion, l’organisation européenne qui coordonne la recherche sur la fusion en Europe et à laquelle l’EPFL participe désormais par le biais de l’Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne.

Parallèlement, Maurizio Giacomin, doctorant dans l’équipe de Paolo Ricci, a commencé à analyser les processus physiques qui limitent la densité dans les tokamaks, afin d’établir une loi fondamentale permettant de corréler la densité du combustible et la taille du tokamak. Une partie de ce travail a consisté à utiliser une simulation avancée du plasma réalisée à l’aide d’un modèle informatique.

« Les simulations exploitent certains des plus grands ordinateurs du monde, tels que ceux mis à disposition par le CSCS, le Centre national suisse de calcul scientifique, et par EUROfusion », poursuit Paolo Ricci. « Grâce à nos simulations, nous avons constaté qu’à mesure que l’on ajoute du combustible dans le plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche froide externe du tokamak – c’est-à-dire à la périphérie – vers son cœur, car le plasma devient plus turbulent. Ensuite, contrairement à un fil électrique en cuivre, qui devient plus résistant lorsqu’il est chauffé, les plasmas deviennent plus résistants lorsqu’ils refroidissent. Ainsi, plus vous y mettez de combustible à la même température, plus certaines de ses parties se refroidissent – et plus il est difficile pour le courant de circuler dans le plasma, ce qui peut entraîner une perturbation. »

Cela a été difficile à simuler. « La turbulence dans un fluide est la principale question sans réponse de la physique classique », affirme Paolo Ricci. « Mais la turbulence dans un plasma est encore plus compliquée car il y a aussi des champs électromagnétiques. »

Finalement, Paolo Ricci et ses collègues ont réussi à déchiffrer le code et ont écrit tout cela sur papier pour en déduire une nouvelle équation pour la limite de combustible dans un tokamak, qui correspond très bien aux expériences. Publiée dans Physical Review Letters, elle rend sa juste valeur à la limite de Greenwald, en s’en rapprochant, mais l’actualise de manière significative.

Selon la nouvelle équation, la limite de Greenwald peut être multipliée par près de deux en termes de combustible dans ITER. Autrement dit, les tokamaks comme ITER peuvent effectivement utiliser près de deux fois la quantité de combustible pour produire des plasmas sans craindre de perturbations. « Ce résultat est important car il montre que la densité que l’on peut atteindre dans un tokamak augmente avec la puissance nécessaire pour le faire fonctionner», dit Paolo Ricci. «DEMO fonctionnera à une puissance nettement plus élevée que les tokamaks actuels et ITER, ce qui signifie que l’on peut ajouter une plus grande densité de combustible sans limiter la production, contrairement à la loi de Greenwald. Et c’est une très bonne nouvelle. »

Auteur : Nik Papageorgiou

Liste des contributeurs
Swiss Plasma Center de l’EPFL
Institut Max Planck de physique des plasmas
Équipe TCV de l’EPFL
Équipe ASDEX Upgrade
Contributeurs JET

Financement
Consortium EUROfusion (programme de recherche et de formation Euratom)
Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)

Références
M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, the ASDEX Upgrade team, JET Contributors, and the TCV team. First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER. Physical Review Letters 128, 185003. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003