Une nouvelle loi déchaîne l’énergie de fusion
Des physiciens de l’EPFL, dans le cadre d’une vaste collaboration européenne, ont révisé l’une des lois fondamentales qui a été à la base de la recherche sur le plasma et la fusion pendant plus de trois décennies, et qui a même régi la conception de mégaprojets comme l’ITER. La mise à jour montre que nous pouvons en fait utiliser en toute sécurité plus d’hydrogène dans les réacteurs de fusion, et donc obtenir plus d’énergie qu’on ne le pensait auparavant.
La fusion est l’une des sources d’énergie les plus prometteuses pour l’avenir. Elle consiste à combiner deux noyaux atomiques en un seul, libérant ainsi d’énormes quantités d’énergie. En fait, nous vivons la fusion tous les jours : la chaleur du soleil provient de la fusion de noyaux d’hydrogène en atomes d’hélium plus lourds.
Il existe actuellement un mégaprojet international de recherche sur la fusion appelé ITER, qui vise à reproduire les processus de fusion du soleil pour créer de l’énergie sur la Terre. Son objectif est de créer un plasma à haute température qui offre l’environnement idéal pour que la fusion se produise et produise de l’énergie.
Les plasmas – un état ionisé de la matière semblable à un gaz – sont constitués de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement, et sont presque un million de fois moins denses que l’air que nous respirons. Les plasmas sont créés en soumettant le « combustible de fusion » – des atomes d’hydrogène – à des températures extrêmement élevées (10 fois celles du noyau du soleil), ce qui oblige les électrons à se séparer de leur noyau atomique. Le processus se déroule à l’intérieur d’une structure en forme de beignet (« toroïdale ») appelée « tokamak ».
« Pour créer un plasma pour la fusion, il faut tenir compte de trois éléments : une température élevée, une densité élevée d’hydrogène et un bon confinement », explique Paolo Ricci du Swiss Plasma Center, l’un des principaux instituts de recherche sur la fusion au monde, situé à l’EPFL.
Dans le cadre d’une vaste collaboration européenne, l’équipe de M. Ricci vient de publier une étude qui met à jour un principe fondamental de la génération de plasma et montre que le futur tokamak de l’ITER peut en fait fonctionner avec deux fois plus d’hydrogène et donc générer plus d’énergie de fusion que prévu.
« L’une des limites de la production de plasma dans un tokamak est la quantité d’hydrogène que l’on peut y injecter », explique M. Ricci. « Depuis les premiers jours de la fusion, nous savons que si l’on essaie d’augmenter la densité du combustible, il se produit à un moment donné ce que nous appelons une “ perturbation “ – en fait, on perd totalement le confinement et le plasma se répand partout. C’est pourquoi, dans les années 80, on a essayé de trouver une sorte de loi permettant de prédire la densité maximale d’hydrogène que l’on peut mettre dans un tokamak. »
La réponse est venue en 1988, lorsque le scientifique spécialiste de la fusion Martin Greenwald a publié une loi célèbre qui établit une corrélation entre la densité du combustible, le rayon mineur du tokamak (le rayon du cercle intérieur du beignet) et le courant qui circule dans le plasma à l’intérieur du tokamak. Depuis lors, la « limite de Greenwald » est un principe fondamental de la recherche sur la fusion ; en fait, la stratégie de construction des tokamaks de l’ITER est basée sur cette loi.
Greenwald a dérivé la loi de manière empirique, c’est-à-dire en se basant sur des données expérimentales, et non sur une théorie testée ou sur ce que nous appelons les « premiers principes », explique Ricci. « Pourtant, la limite fonctionnait assez bien pour la recherche. Et, dans certains cas, comme DEMO (le successeur de l’ITER), cette équation constitue une grande limite à leur fonctionnement, car elle dit qu’on ne peut pas augmenter la densité du combustible au-delà d’un certain niveau. »
En collaboration avec d’autres équipes de tokamak, le Centre suisse du plasma, a conçu une expérience où il était possible d’utiliser une technologie très sophistiquée pour contrôler précisément la quantité de combustible injectée dans un tokamak. Ces expériences massives ont été menées dans les plus grands tokamaks du monde, le Joint European Torus (JET) au Royaume-Uni, ainsi que dans l’ASDEX Upgrade en Allemagne (Institut Max Plank) et dans le tokamak TCV de l’EPFL. Ce vaste effort expérimental a été rendu possible par le Consortium EUROfusion, l’organisation européenne qui coordonne la recherche sur la fusion en Europe et à laquelle l’EPFL participe désormais par le biais de l’Institut Max Planck pour la physique des plasmas en Allemagne.
En parallèle, Maurizio Giacomin, doctorant dans le groupe de Ricci, a commencé à analyser les processus physiques qui limitent la densité dans les tokamaks, afin de dériver une loi de premier principe qui puisse corréler la densité du combustible et la taille du tokamak. Pour ce faire, il a fallu recourir à une simulation avancée du plasma réalisée à l’aide d’un modèle informatique.
« Les simulations exploitent certains des plus grands ordinateurs du monde, tels que ceux mis à disposition par le CSCS, le Centre national suisse de supercalcul, et par EUROfusion », explique Ricci. « Et ce que nous avons découvert, grâce à nos simulations, c’est qu’au fur et à mesure que l’on ajoute du combustible dans le plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche froide extérieure du tokamak, la frontière, vers son cœur, car le plasma devient plus turbulent. Ensuite, contrairement à un fil de cuivre électrique, qui devient plus résistant lorsqu’il est chauffé, les plasmas deviennent plus résistants lorsqu’ils se refroidissent. Ainsi, plus vous mettez de combustible dans le plasma à la même température, plus certaines de ses parties se refroidissent – et plus il est difficile pour le courant de circuler dans le plasma, ce qui peut conduire à une perturbation. »
Cette situation était difficile à simuler. « La turbulence dans un fluide est en fait la question ouverte la plus importante de la physique classique », déclare Ricci. « Mais la turbulence dans un plasma est encore plus compliquée car vous avez également des champs électromagnétiques ».
En fin de compte, Ricci et ses collègues ont réussi à déchiffrer le code, et ont mis « la plume sur le papier » pour dériver une nouvelle équation pour la limite de combustible dans un tokamak, qui s’aligne très bien avec les expériences. Publiée dans Physical Review Letters, elle rend justice à la limite de Greenwald, en s’en rapprochant, mais en l’actualisant de manière significative.
La nouvelle équation postule que la limite de Greenwald peut être multipliée par près de deux en termes de combustible dans l’ITER ; cela signifie que les tokamaks comme l’ITER peuvent en fait utiliser près de deux fois la quantité de combustible pour produire des plasmas sans craindre de perturbations. « C’est important car cela montre que la densité que l’on peut atteindre dans un tokamak augmente avec la puissance dont on a besoin pour le faire fonctionner », explique Ricci. « En fait, DEMO fonctionnera à une puissance beaucoup plus élevée que les tokamaks actuels et l’ITER, ce qui signifie que vous pouvez ajouter plus de densité de combustible sans limiter la production, contrairement à la loi de Greenwald. Et c’est une très bonne nouvelle ».
yogaesoteric
23 septembre 2022