La fusion nucléaire contrôlée atteindra le seuil de la production industrielle d’énergie électrique au mieux en 2050. D’ici cette date, il se pourrait que les réacteurs soient capables de produire environ deux fois plus d’énergie que prévu et le projet Iter, projet de réacteur expérimental thermonucléaire international dans le sud de la France, devrait permettre de le vérifier.
Un groupe de chercheurs de l’école polytechnique fédérale de Lausanne a récemment fait une découverte importante pour la production future d’énergie issue de la fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique. Cette découverte pourra être mise en pratique lorsque Iter sera mis en service car ce projet est surtout une sorte de laboratoire permettant de vérifier que la production d’électricité par fusion nucléaire est réaliste, il n’est pas un prototype de réacteur pour produire industriellement de l’électricité.
Le prototype correspondant à ce projet s’appelle Demo et ne devrait pas être mis en service avant les années 2050, sauf progrès important grâce à l’intelligence artificielle éventuellement. La découverte de l’école polytechnique de Lausanne a été faite sous la direction de Paolo Ricci du Swiss Plasma Center, l’un des principaux instituts de recherche sur la fusion au monde et elle a été publiée dans les Physical Review Letters.
Les chercheurs ont travaillé sur l’utilisation d’un mélange de deutérium, exploitable à partir de l’eau de mer, et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène, pour produire des réactions de fusion libérant plus d’énergie que celle nécessaire pour le démarrage. Ce niveau d’énergie est atteint en chauffant à l’aide d’ondes électromagnétiques le mélange de gaz pour le faire atteindre le plasma, un des quatre états de la matière, obtenu grâce à des températures d’environ 150 millions de degrés.
Le plasma doit être contenu dans des champs magnétiques qui le confinent dans une sorte de bouteille magnétique en forme de tore. Le plasma étant sujet à des instabilités, telles que les disruptions, et des turbulences comme celles observées lors d’éruptions solaires, les chercheurs estiment que le réacteur Iter permettra de maîtriser ces instabilités et de permettre aux réactions de fusion d’avoir un rendement permettant une production industrielle.
Depuis cinquante ans, les découvertes progressent de manière souvent exponentielle, selon le même principe que la loi de Moore pour les ordinateurs, mais souvent invisibles du grand public. A la fin des années 1990, des expériences menées avec le Joint European Torus en Grande-Bretagne, l’ASDEX Upgrade en Allemagne et le tokamak CTV à Lausanne ont permis de confirmer une loi jusqu’alors empirique.
Cette loi, qui établit une corrélation entre la densité du combustible, le rayon mineur du tokamak, qui constitue la chambre toroïdale à l’intérieure de laquelle est générée la fusion, et le courant qui circule dans le plasma à l’intérieur du tokamak, avait été découverte en 1988 par le physicien Martin Greenwald.
Elle fait suite aux travaux de scientifiques dans les années 1980 qui avaient théorisé la densité maximum d’hydrogène qu’il était possible de mettre dans tokamak et cette loi s’appelle depuis la limite de Greenwald. Le principe que la loi définit sera notamment utile pour le prototype Démo afin d’avoir une limite au-delà de laquelle il n’est pas possible d’augmenter la densité du combustible. Paolo Ricci précise cependant que la limite de Greenwald est purement empirique et réalisée à partir de données expérimentales et non à partir d’une théorie testée.
Les chercheurs de l’école polytechnique de Lausanne ont repoussé les limites de cette loi en découvrant qu’il était possible d’utiliser plus d’hydrogène dans les tokamaks et ainsi obtenir plus d’énergie. Paolo Ricci apporte des précisions sur cette découverte en indiquant que trois éléments sont à prendre en considération pour produire un plasma pour la fusion, une température élevée, une densité élevée d’hydrogène et un bon confinement.
L’une des limites à la production de plasma dans un tokamak est la quantité d’hydrogène qu’il est possible d’injecter car si on essaie d’augmenter la densité du combustible, il va se produire une perturbation qui provoque la perte du confinement du plasma et son éparpillement. Grâce à des simulations numériques réalisées par Maurizio Giacomin, un doctorant de l’équipe de Paolo Ricci, avec les ordinateurs du centre national suisse de calcul scientifique et de EUROfusion, l’équipe a mis en évidence qu’au fur et à mesure que du combustible est rajouté dans le plasma, des parties de ce plasma se déplacent de la périphérie du tokamak vers son cœur car le plasma devient plus turbulent.
Les plasmas deviennent plus résistants en refroidissant en périphérie, contrairement au fil électrique de cuivre qui durcit en se chauffant, et ce refroidissement rend plus difficile la circulation du courant dans le plasma, pouvant créer des perturbations. Avec cette découverte, il devrait être possible de pratiquement doubler la quantité d’hydrogène dans un réacteur comme celui d’Iter puis Demo et ainsi doubler la production d’énergie.
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