Stellarator, le « générateur d’étoiles », avance dans la course à la fusion nucléaire

Stellarateur contre. tokamak. Ce n’est pas le titre d’un film de science-fiction. C’est le nom donné aux deux types de conteneurs d’étoiles sur Terre (réacteurs à fusion) en cours de développement. ET Stellarateur vient de gagner des positions.

Son nom fait référence aux étoiles (« stella ») et à l’utilisation du même principe physique qui les soutient pour générer de l’énergie (« générateur »).

Contenir une étoile dans un réservoir suffisamment longtemps pour profiter de l’explosion d’énergie qu’elle génère et dépenser moins que ce qui a été dépensé pour la produire est, par essence, le but et l’objectif des instituts de recherche du plus haut niveau au monde.

Les scientifiques, cette communauté engagée en faveur d’avancées qu’eux-mêmes ne verront finalement pas se réaliser, sont convaincus qu’un jour la fusion nucléaire sera la manne énergétique, abondante et durable qui donnera la paix à une humanité poussée à ses limites. Tokamak formellement c’est un beignet, stellarateur ça ressemble à un l’amour de Moebius.

Sans qu’il s’agisse d’un duel ou d’une compétition, le beignet (tokamak) et ruban adhésif (stellarator) sont deux chevaux différents dans la tentative de contenir la fusion nucléaire de manière efficace. Tokamak semble aller de l’avant, mais stellarateur vient de gagner des positions, soutenues par une récente proposition élaborée par l’Espagne, dans le Laboratoire National de Fusion, appartenant au Centre de Recherche Énergétique, Environnementale et Technologique (CIEMAT).

Que signifie contenir une étoile

En un réacteur à fusionun gaz de noyaux atomiques légers et d’électrons appelé plasma Il est confiné dans des conditions extrêmes de pression et de température. De telle sorte que les noyaux légers, qui constituent le combustible du réacteur, fusionnent pour former d’autres noyaux plus lourds et libérant ainsi une gigantesque quantité d’énergie.

Les étoiles, dont le Soleil, sont des réacteurs à fusion qui confinent le combustible grâce à l’attraction gravitationnelle produite par leur énorme masse. Logiquement, le confinement gravitationnel n’est pas une option pour un réacteur sur Terre, il faut donc suivre d’autres voies. La plus prometteuse consiste à confiner le combustible à l’aide de champs magnétiques intenses à des températures de ordre de dix fois celui du centre du Soleilà 150 millions de degrés Celsius.

Le programme international de fusion entre désormais dans une nouvelle phase passionnante.

Les records battus

En 2022, deux records ont été battus qui ont fait la une de la presse internationale : celui réalisé dans l’installation européenne Tore européen commun (basé sur le confinement magnétique) et celui du Installation nationale d’allumage estadounidense, (basé sur le confinement inertiel).

Ce sont des résultats qui montrent que la fusion contrôlée sur Terre est déjà un rêve devenu réalité. Mais nous n’avons pas encore atteint l’objectif. Le prochain défi est de disposer d’appareils qui produisent plus d’énergie que celle investie dans leur fonctionnement.

ITER, une étape importante pour l’humanité

La première expérimentation ayant cet objectif explicite est déjà en construction dans le sud de la France grâce à une collaboration impliquant 35 pays, dont les 27 de l’UE. Le succès de ITER (c’est le nom de l’expérience) constituera une étape importante dans le développement scientifique et technologique de l’humanité.

ITER est un tokamakle concept de confinement magnétique le plus développé au cours des dernières décennies.

Il tokamak confine très bien le plasma et sa conception est relativement simple (on peut imaginer le champ magnétique du tokamak comme un beignet). Même s’il constituera la base des premiers prototypes de réacteurs, stellarateur représente une option plus robuste pour les réacteurs à fusion commerciaux.

Il stellarateurgrâce à une structure de champ magnétique beaucoup plus complexe et sophistiquée, permet un fonctionnement en mode continu et exempt de certaines instabilités qui affectent le tokamaks.

L’idée de stellarateur a été introduit par Lyman Spitzer en 1951, mais ce n’est qu’à la fin du siècle dernier qu’ils ont commencé à être conçus stellarateurs avec une qualité de confinement qui pourrait rivaliser avec celle du tokamak.

Le doux moment de stellarateurs

Vous pouvez parler du présent comme d’un doux moment pour ceux stellarateurs. D’une part, l’appareil Wendelstein 7-Xen opération depuis 2015 en Allemagne, a représenté un saut qualitatif dans cette ligne de recherche et a établi ce concept comme un candidat sérieux pour servir de base à un réacteur à fusion commercial.

D’autre part, les avancées théoriques de ces dernières années, accompagnées du développement extraordinaire des supercalculateurs et de la puissance de calcul qu’ils offrent, permettent d’aborder la conception informatique des stellarateurs avec une qualité de confinement non seulement comparable à celle de tokamak mais suffisant pour un réacteur.

À ce jour, personne n’a été construit stellarateur dont le champ magnétique est capable de confiner simultanément le combustible et les ions hautement énergétiques générés dans les réactions de fusion (indispensable pour chauffer le combustible et assurer le maintien de la réaction). Mais cela pourrait être sur le point de changer grâce aux résultats publiés dans la revue La fusion nucléaire par des scientifiques du Laboratoire National de Fusion, appartenant au Centre de Recherche Énergétique, Environnementale et Technologique (CIEMAT).

La bande de Mobius

Dans le articleles auteurs utilisent une stratégie dite « d’optimisation des stellarateurs», consistant en l’exploration et l’évaluation intelligentes d’un très grand nombre de configurations magnétiques à l’aide de supercalculateurs. Ils ont ainsi obtenu une configuration dans laquelle tous les éléments impliqués dans les réactions de fusion sont confinés au niveau de qualité requis par un réacteur.

La clé de cette découverte réside dans les leçons apprises et l’expérience acquise au fil des années dans Wendelstein 7-X et TJ-IIil stellarateur qui fonctionne au Laboratoire National de Fusion, à Madrid, depuis 1997.

Dans ces deux expériences, entre autres choses, on effectue la vérification expérimentale des théories utilisées dans la conception de nouvelles configurations.

Nous avons besoin de matériaux qui n’existent pas encore

La nouvelle configuration magnétique obtenue au National Fusion Laboratory est la première étape vers la conception et la construction de la prochaine génération de stellarateurs et un réacteur basé sur ce concept. Cette construction impliquera des défis non seulement pour les physiciens, mais aussi pour la technologie et l’ingénierie, dont la résolution est essentielle pour achever la route vers le réacteur à fusion commercial.

Par exemple, d’un point de vue technologique, le développement des réacteurs nécessite de trouver matériaux qui résistent à de grands flux de neutrons hautement énergétiques. C’est l’un des objectifs du projet IFMIF-DONES, une initiative du Laboratoire National de Fusion – CIEMAT actuellement développée par le Consortium. IFMIF-FEMMES L’Espagne à Grenade.

Quelque chose de substantiel est en train de changer. Le chemin vers le réacteur à fusion, bien que semé d’embûches, devient de plus en plus clair.