Les combustibles qui alimenteront le réacteur ITER sont sur le point d’être testés

Le Réacteur thermonucléaire expérimental international, ou ITER, est un projet de recherche de type tokamak sur la fusion nucléaire. L’installation devrait débuter ses expériences d’ici 2025. En attendant sa mise en marche, les physiciens préparent le terrain en testant en amont les combustibles dont ITER se servira pour enclencher les réactions de fusion. Ces tests se déroulent au Joint European Torus (JET), un tokamak de plus faible envergure chargé d’expérimenter certains paramètres physiques liés à la fusion nucléaire. Prochainement, le JET testera donc des réactions à base de deutérium et tritium, afin de mieux comprendre leur comportement et préparer ITER à leur utilisation.

Un réacteur pionnier en Grande-Bretagne se prépare à lancer des tests clés d’un mélange de combustibles qui alimentera à terme ITER — la plus grande expérience de fusion nucléaire au monde. La fusion nucléaire est le phénomène qui alimente le Soleil et, si les physiciens peuvent l’exploiter sur Terre, ce serait une source d’énergie presque illimitée.

En décembre, des chercheurs du Joint European Torus ont commencé à mener des expériences de fusion avec du tritium — un isotope rare et radioactif de l’hydrogène. L’installation est une maquette d’un dixième de volume du projet ITER de 22 milliards de dollars américains, et qui a la même conception en forme de « tokamak » — l’approche la plus développée au monde en matière d’énergie de fusion. C’est la première fois depuis 1997 que des chercheurs font des expériences dans un tokamak avec une quantité significative de tritium.

En juin, le JET commencera à fusionner des quantités égales de tritium et de deutérium, un autre isotope de l’hydrogène. C’est ce mélange de carburant qu’ITER utilisera pour tenter de créer plus de puissance à partir d’une réaction de fusion que ce qui est consommé (bilan positif) — ce qui n’a jamais été démontré auparavant. Le réacteur devrait chauffer et confiner un plasma de deutérium et de tritium de telle sorte que la fusion des isotopes en hélium produise suffisamment de chaleur pour soutenir d’autres réactions de fusion.

Mieux comprendre la dynamique du plasma de fusion

Les expériences du JET aideront les scientifiques à prédire le comportement du plasma dans le tokamak ITER et à élaborer les paramètres de fonctionnement de l’expérience. « C’est ce qui se rapproche le plus de la réalisation des conditions d’ITER dans les machines actuelles », déclare Tim Luce, physicien en chef chez ITER. Les expériences sont l’aboutissement d’environ deux décennies de travail. ITER commencera ses opérations avec des réactions d’hydrogène de faible puissance en 2025. Mais à partir de 2035, il fonctionnera avec un mélange 50/50 de deutérium et de tritium.

Vidéo montrant la formation d’un plasma de fusion à l’intérieur du tokamak COMPASS :

ITER et le JET, basé au Culham Center for Fusion Energy (CCFE) près d’Oxford, utilisent des champs magnétiques extrêmes pour confiner le plasma dans un anneau et le chauffer jusqu’à ce que la fusion se produise. Les températures dans le JET peuvent atteindre 100 millions de degrés, bien plus qu’au cœur du Soleil.

Les dernières expériences mondiales de fusion en tokamak avec du tritium ont également eu lieu au JET. L’objectif était alors d’atteindre la puissance de crête, et l’installation a réussi à atteindre un rapport record de puissance en sortie/puissance en entrée (connue sous le nom de valeur Q) de 0.67. Ce record tient toujours aujourd’hui ; 1 serait le seuil de rentabilité. Mais cette année, l’objectif est de maintenir un niveau similaire de puissance de fusion pendant 5 secondes ou plus, de tirer autant de données que possible des expériences et de comprendre le comportement des plasmas plus durables.

Utilisation du tritium : un réaménagement nécessaire du JET

Travailler avec le tritium pose des défis uniques — les chercheurs du JET ont passé plus de deux ans à réaménager des éléments de leur machine et à se préparer à manipuler les matières radioactives. L’isotope se désintègre rapidement, de sorte qu’il n’existe qu’à l’état de traces dans la nature et est généralement fabriqué comme sous-produit dans les réacteurs à fission nucléaire ; l’approvisionnement mondial n’est que de 20 kilogrammes.

Une partie du défi de la manipulation du tritium est que ses réactions avec le deutérium produisent des neutrons à une vitesse beaucoup plus élevée que les réactions au deutérium seul. Les réacteurs commerciaux capteront l’énergie de ces neutrons pour produire de l’électricité, mais dans le JET, les particules à haute énergie cribleront l’intérieur de la machine et endommageront les systèmes de diagnostic. Cela signifie que l’équipe du JET a dû déplacer des caméras et d’autres instruments derrière un blindage en béton, explique Ian Chapman, qui dirige le CCFE.

« Nous avons dû actualiser et renouveler tous nos processus », du stockage à la manutention, indique Chapman. Une fois que les expériences sur le tritium auront commencé, le bombardement neutronique rendra l’installation interne radioactive, elle deviendra donc une zone interdite pour les humains pendant 18 mois. Le personnel a donc dû s’habituer à un état d’esprit similaire à celui des ingénieurs qui envoient des engins dans l’espace : « Vous ne pouvez pas simplement entrer et réparer les choses, cela doit fonctionner du premier coup ».

Étudier les propriétés physiques du deutérium et du tritium

Le JET utilisera moins de 60 grammes de tritium, qu’il recyclera. Le carburant contenant une fraction de gramme de tritium sera pulsé dans le tokamak 3 à 14 fois par jour. Chacune de ces décharges sera une expérience individuelle avec des paramètres légèrement différents, et générera entre 3 et 10 secondes de données utiles. « Ce que nous recherchons, ce sont des informations physiques que nous pouvons utiliser pour valider notre compréhension, et ensuite nous pouvons les appliquer à la préparation de la future machine », indique Joelle Mailloux, physicienne au JET.

Certaines expériences n’utiliseront que du tritium ; d’autres combineront le deutérium et le tritium dans des proportions égales. Les deux types d’expérience sont importants, car l’un des principaux objectifs est de comprendre l’effet de la masse plus importante du tritium sur le comportement du plasma (le tritium a deux neutrons dans son noyau, alors que le deutérium en a un et l’hydrogène n’en a pas). Cela aidera à prédire l’impact de l’utilisation de différents isotopes dans ITER.

La masse des isotopes influence les conditions — telles que le champ magnétique, le courant, le chauffage externe — nécessaires pour que le plasma atteigne un état crucial connu sous le nom de confinement. Dans cet état, les particules les plus énergétiques restent dans le gaz ionisé, ce qui est important pour maintenir la température du plasma.

Une autre différence majeure par rapport aux expériences de 1997 est que le JET a été réaménagé de sorte que les matériaux internes qui protègent la machine contre les effets du bombardement thermique et neutronique et éliminent les impuretés du plasma correspondent à ceux de la conception d’ITER. Parce que ces matériaux pourraient irradier dans le plasma et le refroidir, il est essentiel de comprendre comment ils interagissent avec le processus de fusion.