« Un nouveau record de performance en fusion »

Avec le centre de recherche sur la fusion JET, abréviation de Joint European Torus, un nouveau record a été établi en Angleterre pour la quantité d’énergie générée dans une expérience de fusion. Pour ce faire, un plasma a d’abord été créé et chauffé à 100 millions de degrés Celsius pour permettre des réactions de fusion. Les chercheurs utilisent désormais le deutérium et le tritium comme combustible. Ce faisant, ils ont voulu se rapprocher le plus possible des conditions qui prévaudront dans les futures centrales électriques à fusion. Dans une interview avec World of Physics, Hartmut Zohm de l’Institut Max Planck de physique des plasmas à Garching nous explique ce que ce nouveau record signifie pour la future recherche sur la fusion.

Quel record a été battu avec JET en Angleterre ?

Hartmut Zohm : Le précédent record d’énergie de fusion a également été atteint avec JET en 2021 et s’élevait à 59 mégajoules. Cette valeur a désormais pu être dépassée dans une certaine mesure et une quantité totale d’énergie de 69 mégajoules a été atteinte. Il s’agit de l’énergie totale générée par les processus de fusion dans le plasma sur une période d’un peu plus de cinq secondes. Cela correspond à une puissance de fusion moyenne d’environ 13 mégawatts.

Quelle est la relation entre la puissance de fusion et la puissance calorifique rayonnée ?

Pour initier la fusion, le plasma doit déjà être très chaud – environ 100 millions de degrés Celsius. Nous apportons cette puissance de chauffage au plasma en utilisant plusieurs systèmes différents, notamment les micro-ondes et les ondes radiofréquences. Pour atteindre une puissance de fusion de 13 mégawatts, nous avons dû émettre au total environ 30 mégawatts de puissance calorifique. Cela a posé d’énormes difficultés, mais l’équipe technique a su les surmonter. Tous les systèmes devaient fonctionner au maximum. Cependant, nous n’avons pas atteint un bilan énergétique positif car nous avions encore besoin de plus de deux fois la puissance de chauffage externe par rapport à la puissance de fusion. Mais JET est aussi un centre de recherche et ne peut pas résister à des températures aussi élevées pendant de longues périodes. Les futurs grands réacteurs à fusion – comme la centrale ITER actuellement en construction – seront équipés d’aimants supraconducteurs et de systèmes de refroidissement complètement différents, pour empêcher par exemple la fusion des parois du réacteur. L’objectif est d’y parvenir sur une période plus longue, des performances de fusion environ dix fois supérieures.

Avec quel carburant avez-vous travaillé ?

Carburant le plus riche en énergie

Je voudrais d’abord mentionner qu’il s’agissait de la dernière série d’expériences du JET. Après une quarantaine d’années au service de la recherche européenne sur la fusion, le JET est aujourd’hui mis hors service. Dans de tels systèmes, des expériences sont généralement réalisées avec la fusion nucléaire de deux noyaux atomiques de l’isotope de l’hydrogène deutérium, c’est-à-dire avec ce qu’on appelle l’hydrogène lourd, qui possède un neutron en plus d’un proton dans le noyau. À l’avenir, les centrales électriques commerciales fusionneront du deutérium avec du tritium pour former de l’hélium, car cela promet un meilleur rendement énergétique. Le tritium est également appelé hydrogène super-lourd car son noyau contient deux neutrons. Mais comme il est également radioactif, les expériences avec le tritium sont beaucoup plus complexes. Le JET étant désormais arrêté, nous avons pu réaliser à la fin du trimestre des expériences de fusion avec du deutérium et du tritium.

Quelle quantité de tritium avez-vous utilisée lors de la fusion ?

Nous n’avions qu’une petite quantité de tritium dans la chambre, environ 70 milligrammes. Sur ce total, environ 0,2 milligrammes ont fusionné pendant la fusion. Pour produire la même quantité d’énergie avec du charbon, il aurait fallu brûler environ deux kilogrammes de charbon. Cela montre quelles énormes quantités d’énergie pourraient être disponibles grâce à la fusion une fois que nous aurons une centrale électrique à fusion fonctionnelle.

Y a-t-il eu des problèmes avec les expériences ?

Une difficulté majeure qui tourmente la recherche sur la fusion depuis des décennies est la turbulence complexe qui se produit dans le plasma. Il existe d’énormes différences de température entre la zone centrale du plasma – où se produit la fusion et où il y a plusieurs millions de degrés – et la zone externe relativement froide. Cela conduit à des écoulements très turbulents dans le plasma, avec des tourbillons de différentes tailles transportant la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur.

Dans quelle mesure les processus dans le plasma peuvent-ils désormais être compris ?

Heureusement, les modèles informatiques que nous utilisons pour décrire le plasma sont désormais très performants. Les découvertes scientifiques que nous pouvons tirer de ces expériences sont encore plus importantes que le record en termes d’énergie totale obtenue : il est désormais possible de calculer bien mieux qu’auparavant le comportement de ces flux de plasma turbulents. Et comme nous l’avons vu dans ces expériences, un mélange deutérium-tritium se comporte plus favorablement en termes de turbulence qu’un mélange de deutérium pur. Cela nous encourage à penser que les turbulences pourront également être facilement contrôlées dans les futures installations à grande échelle telles qu’ITER.