Contrairement à la fission nucléaire, qui dégage de l’énergie en scindant un noyau atomique en deux, la fusion nucléaire dégage de l’énergie en fusionnant deux noyaux atomiques légers. Bien que cette source d’énergie propre et virtuellement inépuisable soit le Graal moderne des physiciens, des contraintes de températures et de matériaux freinent encore sa réalisation effective. Dans ce cadre, la Chine a récemment terminé la construction du HL-2M, un tokamak qui devrait être mis en route prochainement pour atteindre une température de 200 millions de degrés Celsius.
La Chine est sur le point de démarrer son « Soleil artificiel », un réacteur à fusion nucléaire qui génère de l’énergie en reproduisant les réactions qui ont lieu au centre du Soleil. En cas de succès, l’appareil pourrait rapprocher les scientifiques de l’objectif ultime de la fusion nucléaire : une énergie propre presque illimitée et bon marché.
L’appareil, appelé HL-2M Tokamak, fait partie du projet expérimental de Tokamak supraconducteur avancé du pays, qui est en cours depuis 2006. En mars, un responsable de la China National Nuclear Corporation a annoncé qu’ils achèveraient la construction du bâtiment du HL-2M d’ici la fin de l’année.
HL-2M : reproduire les réactions de fusion nucléaire à 200 millions de degrés Celsius
Duan Xuru, directeur du Southwestern Institute of Physics, qui fait partie de la société, a annoncé que l’appareil deviendrait opérationnel en 2020. Il a expliqué aux participants comment le nouveau réacteur atteindra des températures de plus de 200 millions de degrés Celsius. C’est environ 13 fois plus chaud que le centre du Soleil. Les dispositifs précédents développés pour l’expérience ont atteint 100 millions de degrés Celsius, une percée annoncée en novembre 2018.
La fusion nucléaire est la réaction qui alimente le Soleil. Il s’agit de fusionner deux noyaux atomiques plus légers pour former un noyau plus lourd, une réaction qui libère une énorme quantité d’énergie.
Au sein du Soleil, où les températures centrales atteignent environ 15 millions de degrés Celsius, les noyaux d’hydrogène se combinent pour former de l’hélium. Pour recréer cela sur Terre, les scientifiques doivent chauffer des isotopes de l’hydrogène à des températures supérieures à 100 millions de degrés Celsius.
À ce stade, le carburant devient un plasma. Ce plasma extrêmement chaud doit être confiné, et une méthode développée par les physiciens consiste en un appareil en forme de tore appelé tokamak. Celui-ci utilise des champs magnétiques pour essayer de stabiliser le plasma afin que des réactions puissent avoir lieu et libérer de l’énergie. Cependant, le plasma est susceptible de produire des salves. Si celles-ci touchent la paroi du réacteur, cela peut endommager l’appareil. Bien qu’une fusion nucléaire stable ait été obtenue, la quantité d’énergie nécessaire pour produire les réactions dépasse pour le moment la quantité d’énergie générée.
Un tokamak au confinement magnétique flexible
James Harrison, physicien nucléaire à la United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) explique que le HL-2M Tokamak chinois diffère des autres appareils en raison de la flexibilité de son champ magnétique. Les scientifiques pourront l’adapter pour protéger l’intérieur de l’appareil lorsqu’il fonctionnera à haute puissance.
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« Les dispositifs de fusion à confinement magnétique — tels que les tokamaks — déposent généralement la chaleur générée et les particules du noyau de fusion dans une couche très étroite, de quelques centimètres à plusieurs millimètres de large, ce qui conduit à des charges de chaleur et de particules très élevées, qui peuvent endommager les surfaces qui tapissent l’intérieur de l’appareil dans un réacteur ; la flexibilité disponible sur le HL-2M permettra aux chercheurs d’explorer de nouvelles solutions à ce problème » explique Harrison.
Mieux comprendre et optimiser le confinement magnétique du plasma
La première étape du HL-2M impliquera probablement de tester chaque partie du système individuellement. Les physiciens chinois devraient ensuite tester les systèmes intégrés avant de commencer les expériences. « La prochaine étape consiste à commencer à produire des plasmas à relativement faible performance pour explorer l’optimisation de la dégradation du plasma et à atteindre des performances plus élevées, en améliorant divers sous-systèmes en cours de route pour augmenter la fiabilité et la contrôlabilité de l’appareil » ajoute Harrison.
« Le HL-2M fournira aux chercheurs des données précieuses sur la compatibilité des plasmas de fusion haute performance, avec des approches pour gérer plus efficacement la chaleur et les particules évacuées du cœur de l’appareil. C’est l’un des plus grands problèmes auxquels est confronté le développement d’un réacteur de fusion commercial, et les résultats de HL-2M, en tant que partie de la communauté internationale de recherche sur la fusion, influenceront la conception de ces réacteurs » conclut-il.