Le tokamak supraconducteur expérimental avancé (EAST), le réacteur à fusion nucléaire chinois, vient de franchir une nouvelle étape en poussant le plasma au-delà de la limite de Greenwald. Auparavant considéré comme un obstacle majeur à la réalisation de la fusion nucléaire, il s’agit d’un seuil empirique observé dans les tokamaks, qui empêche de porter le plasma à des densités extrêmes. Ces résultats pourraient suggérer une piste expérimentale pour repousser certaines limites de densité de plasma des réacteurs à fusion.
La fusion nucléaire consiste à comprimer des noyaux d’atomes légers sous des conditions de pression et de chaleur extrêmes pour former des atomes plus lourds. Ce processus libère d’immenses quantités d’énergie, grâce à un processus de réaction auto-entretenu dans le cas des étoiles — les dispositifs de fusion contrôlée actuels n’ayant pas encore atteint un tel régime énergétique. Il s’agit du même processus se déroulant au cœur des étoiles, raison pour laquelle les réacteurs à fusion sont surnommés « soleils artificiels ».
Étant donné son potentiel de production énergétique propre et quasi illimitée, la fusion nucléaire fait depuis longtemps l’objet de recherches actives, en particulier dans le contexte actuel de réchauffement climatique et à la course à l’autonomie énergétique. Cependant, malgré plus de 70 ans de recherches, les réacteurs à fusion restent encore largement expérimentaux et consomment, pour l’heure, plus d’énergie qu’ils n’en produisent.
Alors que les climatologues exhortent à une réduction drastique et urgente des émissions de gaz à effet de serre, la fusion nucléaire a peu de chances de contribuer à la lutte contre la crise climatique actuelle. Elle contribuera néanmoins aux défis énergétiques et environnementaux auxquels seront confrontées les générations futures.
L’un des principaux obstacles entravant les réacteurs à fusion nucléaire est la limite de Greenwald, qui impose que le plasma confiné dans les tokamaks ne peut dépasser une certaine limite de densité sans devenir instable. Or, pour que les réactions de fusion se maintiennent (ou s’auto-entretiennent), le plasma doit atteindre une densité extrêmement élevée. En d’autres termes, de grandes quantités de particules doivent être confinées dans un volume réduit, sans déstabiliser le plasma.
Dans une étude publiée le 1er janvier dans la revue Science Advances, les chercheurs de l’EAST affirment avoir surmonté pour la première fois cette limite. « Ces résultats suggèrent une piste expérimentale adaptable pour repousser certaines limites de densité dans les tokamaks et les dispositifs de fusion par plasma en combustion de nouvelle génération », a déclaré Ping Zhu, co-auteur principal de l’étude et professeur à l’École de génie électrique et électronique de l’Université des sciences et technologies de Chine, dans un communiqué.
Stabiliser le plasma en repensant son interaction avec la paroi
Dans une précédente étude, l’un des chercheurs de l’équipe de Zhu a avancé l’hypothèse selon laquelle la limite de Greenwald pourrait être levée en ajustant les conditions de sorte que le plasma et la paroi interne du réacteur soient dans un état stable et se renforcent mutuellement. Cette hypothèse s’appuie sur la théorie de l’auto-organisation plasma-paroi (PWSO), qui postule qu’un « régime sans densité » — un plasma stable malgré une densité croissante — est possible lorsque l’interaction entre le plasma et les parois du réacteur atteint un équilibre précis.
Pour explorer l’hypothèse de manière empirique, l’équipe de la nouvelle étude a utilisé des micro-ondes de haute puissance pour augmenter la température du combustible initial servant à générer le plasma, et ce, selon les chercheurs, de manière plus efficace que les méthodes conventionnelles.
Illustration schématique du fonctionnement du tokamak EAST au cours de l’expérience. © YANG NingLe procédé aurait permis d’améliorer la pureté du plasma en réduisant le nombre d’atomes métalliques arrachés des parois internes du tokamak et qui le contaminent. Ce gain de pureté réduirait à son tour le taux de génération de rayonnements indésirables, contribuant ainsi à la stabilité du plasma malgré l’augmentation de sa densité.
L’équipe a également injecté une grande quantité de gaz neutre dans la chambre à plasma, permettant d’alimenter celui-ci davantage et d’atteindre des densités toujours croissantes à mesure que le processus de fusion avance. Le procédé permettrait en outre de refroidir les parois tout en réduisant davantage la production d’impuretés.
Comparaison schématique des résultats expérimentaux d’EAST avec les prédictions de la théorie de l’auto-organisation plasma-paroi. © YANG NingLes résultats ont révélé que le procédé a permis de maintenir la stabilité du plasma à des densités 1,3 à 1,65 fois supérieures à la limite de Greenwald, soit 30 % à 65 % supérieures à celles normalement atteintes par EAST. À noter qu’il ne s’agit pas de la première fois qu’un réacteur à fusion parvient à dépasser la limite de Greenwald. EAST serait toutefois, selon les auteurs de l’étude, le premier à atteindre un régime sans densité.
D’après Jeronimo Olaya, physicien des plasmas de fusion au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) à Saint-Paul-lez-Durance, qui n’a pas participé à la recherche : « ces résultats sont très prometteurs et devraient être explorés dans d’autres dispositifs tokamak », tels que celui du programme ITER, qui sera le plus grand tokamak au monde et auquel la Chine participe.