Une nouvelle loi déchaîne l’énergie de fusion

Les physiciens de l’EPFL, au sein d’une large collaboration européenne, ont révisé l’une des lois fondamentales qui a été à la base de la recherche sur le plasma et la fusion pendant plus de trois décennies, régissant même la conception de mégaprojets comme ITER. La mise à jour montre que nous pouvons en fait utiliser en toute sécurité plus d’hydrogène dans les réacteurs à fusion, et donc obtenir plus d’énergie qu’on ne le pensait auparavant.

La fusion est l’une des sources d’énergie du futur les plus prometteuses. Il s’agit de deux noyaux atomiques qui se combinent en un seul, libérant ainsi d’énormes quantités d’énergie. En fait, nous faisons l’expérience de la fusion tous les jours : la chaleur du soleil provient des noyaux d’hydrogène fusionnant en atomes d’hélium plus lourds.

Il existe actuellement un mégaprojet international de recherche sur la fusion appelé ITER, qui vise à reproduire les processus de fusion du soleil pour créer de l’énergie sur la Terre. Son objectif est la création d’un plasma à haute température qui fournit le bon environnement pour que la fusion se produise, produisant de l’énergie.

Les plasmas – un état ionisé de la matière semblable à un gaz – sont constitués de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement, et 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 celles du noyau du soleil), forçant les électrons à se séparer de leurs noyaux atomiques. Le processus se déroule à l’intérieur d’une structure en forme de beignet (« toroïdale ») appelée « tokamak ».

« Afin de créer du plasma pour la fusion, vous devez tenir compte de trois choses : une température élevée, une haute densité d’hydrogène et un bon confinement », explique Paolo Ricci du Swiss Plasma Center, l’un des principaux instituts de recherche mondiaux en fusion situé à EPFL.

Travaillant au sein d’une grande collaboration européenne, l’équipe de Ricci vient de publier une étude mettant à jour un principe fondamental de la génération de plasma et montrant que le futur tokamak ITER peut en fait fonctionner avec deux fois plus d’hydrogène et donc générer plus d’énergie de fusion qu’on ne le pensait auparavant.

« L’une des limites de la fabrication de plasma à l’intérieur d’un tokamak est la quantité d’hydrogène que vous pouvez y injecter », explique Ricci. « Depuis les premiers jours de la fusion, nous savons que si vous essayez d’augmenter la densité du combustible, à un moment donné, il y aurait ce que nous appelons une » perturbation « – en gros, vous perdez totalement le confinement, et le plasma va partout. Donc, dans Dans les années 80, les gens essayaient de trouver une sorte de loi qui pourrait prédire la densité maximale d’hydrogène que vous pouvez mettre à l’intérieur d’un tokamak. »

Une réponse est venue en 1988, lorsque le scientifique en fusion Martin Greenwald a publié une loi célèbre qui établit une corrélation entre la densité du carburant et le rayon mineur du tokamak (le rayon du cercle intérieur du beignet) et le courant qui circule dans le plasma à l’intérieur du tokamak. Depuis lors, la « limite de Greenwald » est un principe fondamental de la recherche sur la fusion ; en fait, la stratégie de construction du tokamak d’ITER est basée sur cela.

« Greenwald a dérivé la loi de manière empirique, c’est-à-dire entièrement à partir de données expérimentales – pas d’une théorie testée, ou de ce que nous appellerions des » premiers principes «  », explique Ricci. « Pourtant, la limite a plutôt bien fonctionné pour la recherche. Et, dans certains cas, comme DEMO (le successeur d’ITER), cette équation constitue une grande limite à leur fonctionnement car elle dit que vous ne pouvez pas augmenter la densité du carburant au-delà d’un certain niveau. »

En collaboration avec d’autres équipes de tokamak, le Swiss Plasma Center a conçu une expérience permettant d’utiliser une technologie hautement sophistiquée pour contrôler avec précision la quantité de carburant injectée dans un tokamak. Les expériences massives ont été menées dans les plus grands tokamaks du monde, le Joint European Torus (JET) au Royaume-Uni, ainsi que l’ASDEX Upgrade en Allemagne (Max Plank Institute) et le propre 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 via l’Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne.

Parallèlement, Maurizio Giacomin, un Ph.D. étudiant dans le groupe de Ricci, a commencé à analyser les processus physiques qui limitent la densité dans les tokamaks, afin de dériver une loi de premier principe qui peut corréler la densité du combustible et la taille du tokamak. Cependant, une partie de cela impliquait l’utilisation d’une simulation avancée du plasma réalisée avec 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 intensif et par EUROfusion », explique Ricci. « Et ce que nous avons découvert, grâce à nos simulations, c’est que lorsque vous ajoutez plus de carburant dans le plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche froide externe du tokamak, la limite, vers son noyau, car le plasma devient plus turbulent. Puis , contrairement à un fil de cuivre électrique qui devient plus résistant lorsqu’il est chauffé, les plasmas deviennent plus résistants lorsqu’ils refroidissent. Ainsi, plus vous y mettez de carburant à la même température, plus il refroidit de parties et plus il est difficile pour que le courant circule dans le plasma, ce qui peut entraîner une perturbation. »

C’était difficile à simuler. « La turbulence dans un fluide est en fait le problème ouvert le plus important en physique classique », explique Ricci. « Mais la turbulence dans un plasma est encore plus compliquée car vous avez aussi des champs électromagnétiques. »

En fin de compte, Ricci et ses collègues ont pu déchiffrer le code et mettre « stylo sur papier » pour dériver une nouvelle équation pour la limite de carburant dans un tokamak, qui s’aligne très bien avec les expériences. Publié dans Lettres d’examen physiqueil rend justice à la limite de Greenwald, en s’en rapprochant, mais l’actualise de manière significative.

La nouvelle équation postule que la limite de Greenwald peut être presque doublée en termes de carburant dans ITER ; cela signifie que les tokamaks comme ITER peuvent en fait utiliser presque deux fois plus de carburant pour produire des plasmas sans se soucier des perturbations. « C’est important car cela montre que la densité que vous pouvez atteindre dans un tokamak augmente avec la puissance dont vous avez besoin pour le faire fonctionner », explique Ricci. « En fait, DEMO fonctionnera à une puissance beaucoup plus élevée que les tokamaks et ITER actuels, ce qui signifie que vous pouvez ajouter plus de densité de carburant sans limiter la production, contrairement à la loi de Greenwald. Et c’est une très bonne nouvelle. »