Des chercheurs proposent un nouveau concept de réacteur à fusion nucléaire combinant le tokamak au stellarator. Cette combinaison permettrait notamment de surmonter les problèmes de stabilité liés aux tokamaks conventionnels et les défauts de capacité associés aux stellarators — ce qui permettrait de booster les performances du réacteur. Le nouveau design affiche un extérieur similaire aux tokamaks ordinaires, mais comporte en son centre des boucles électromagnétiques torsadées dites « bobines bananes ».
Pour générer de l’énergie, les réacteurs à fusion nucléaire utilisent de puissants champs magnétiques pour confiner du plasma à très haute température dans un espace extrêmement réduit. Pour ce faire, les tokamaks sont entourés de bobines électromagnétiques. Généralement en forme de beignet (ou tore), ces réacteurs peuvent contenir de grandes quantités de plasma. Cependant, les tokamaks s’appuient sur des courants électriques injectés de plasma pour générer un champ magnétique, ce qui peut engendrer des instabilités pouvant endommager le réacteur et entraver le processus de fusion.
D’un autre côté, les stellarators sont des réacteurs modulaires qui utilisent une série de bobines torsadées enroulées autour d’un tore. Le confinement du plasma est ainsi réalisé par le biais d’un champ magnétique hélicoïdal généré par l’arrangement complexe des bobines. Cependant, ces structures sont non seulement difficiles à construire, mais ne peuvent contenir qu’un volume de plasma relativement faible par rapport aux tokamaks.
Afin de surmonter ces inconvénients, les chercheurs de l’Institut Max Planck de physique des plasmas à Greifswald, en Allemagne, proposent de combiner les deux concepts et d’exploiter le meilleur de chacun. Cette combinaison permettrait à la fois d’utiliser des bobines faciles à concevoir tout en exploitant de plus grands volumes de plasma sans les problèmes d’instabilité des tokamaks conventionnels. Le nouveau concept — décrit dans la revue Physical Review Research — serait ainsi plus performant et plus stable. De plus, la quantité d’énergie nécessaire à son fonctionnement est moins élevée que pour les réacteurs standards.
Plus de stabilité pour un volume de plasma plus élevé
Le nouveau concept proposé par l’équipe de la nouvelle étude est composé d’un tokamak comprenant en son centre des boucles torsadées plus ou moins similaires à celles des stellarators. Appelées « bobines bananes », ces boucles permettraient de générer suffisamment de torsion dans les champs magnétiques de sorte à pallier les instabilités de plasma inhérentes aux tokamaks.
D’après les simulations informatiques des chercheurs, les fameuses bobines bananes permettraient aussi de surmonter l’une des principales difficultés des tokamaks, à savoir la nécessité d’injecter un courant électrique dans le plasma pour aider à son confinement. Le non recourt à un courant électrique signifie que le dispositif permet d’économiser de l’énergie tout en exploitant un volume de plasma équivalent aux tokamaks conventionnels.
À savoir que des concepts hybrides tokamak-stellarator ont déjà été proposés précédemment, tels que le stellarator sphérique et le tokastar. Cependant, ces conceptions présentaient des inconvénients. Les stellarators en question n’étaient notamment pas suffisamment adaptés pour être associés à des tokamaks. Les stellarators dits « quasi-axisymétriques » (orthogonalement symétriques par rapport à un axe) ont été proposés pour surmonter ce problème, mais leur forme hautement complexe n’est pas compatible avec la symétrie toroïdale (en forme d’anneau) des tokamaks.
De leur côté, les chercheurs de la nouvelle étude proposent une forme non axisymétrique qui permet de maintenir la stabilité du plasma sans perturber son volume global. Les bobines légèrement courbées du stellarator sont enroulées autour de l’axe central du tokamak, d’où l’appellation « bobines bananes ». En d’autres termes, par rapport à un ensemble de bobines de tokamak typiques, il suffit d’ajouter un seul type simple de bobine de stellarator. Cela conduirait à un champ magnétique compact, préserverait le volume de plasma et favoriserait son transport.
« Cet arrangement étrange semble être la clé pour obtenir un équilibre de type tokamak avec le caractère d’un stellarator et constitue la base de notre idée d’un hybride tokamak-stellarator », expliquent les chercheurs dans leur document.
Toutefois, il est important de noter qu’il ne s’agit pour le moment que d’une proposition de concept, dont le développement pourrait comporter de nombreux défis. Les chercheurs ont d’ailleurs précisé que les simulations informatiques ne peuvent pas prédire à 100 % si le système hybride est suffisamment stable. Néanmoins, les similitudes avec les tokamaks permettront peut-être de convertir ces derniers et d’en améliorer les performances.