Comment la fusion nucléaire pourrait utiliser moins d’énergie

Pendant des décennies, si vous demandiez à un spécialiste de la fusion d’imaginer un réacteur à fusion, il vous parlerait probablement d’un tokamak. C’est une chambre de la taille d’une grande pièce, en forme de beignet creux. Les physiciens remplissent ses entrailles d’une confiture pas si savoureuse de plasma surchauffé. Ensuite, ils l’entourent d’aimants dans l’espoir d’écraser les atomes ensemble pour créer de l’énergie, tout comme le fait le soleil.

Mais les experts pensent que vous pouvez fabriquer des tokamaks sous d’autres formes. Certains pensent que rendre les tokamaks plus petits et plus légers pourrait les rendre plus performants dans la manipulation du plasma. Si les scientifiques de la fusion qui le proposent ont raison, il pourrait s’agir d’une mise à niveau attendue depuis longtemps pour l’énergie nucléaire. Grâce à des recherches récentes et à un projet de réacteur nouvellement proposé, le domaine envisage sérieusement de produire de l’électricité avec un “tokamak sphérique”.

“L’indication des expériences jusqu’à présent est que [spherical tokamaks] peut, livre pour livre, mieux confiner les plasmas et donc fabriquer de meilleurs réacteurs à fusion », déclare Steven Cowley, directeur du Princeton Plasma Physics Laboratory.

[Related: Physicists want to create energy like stars do. These two ways are their best shot.]

Si vous vous demandez comment fonctionne l’énergie de fusion, c’est le même processus que le soleil utilise pour générer de la chaleur et de la lumière. Si vous pouvez pousser certains types d’atomes d’hydrogène au-delà des forces électromagnétiques qui les séparent et les écraser ensemble, vous obtenez de l’hélium et un parcelle d’énergie, sans pratiquement aucune pollution ni émission de carbone.

Cela semble merveilleux. Le problème est que, pour forcer les atomes ensemble et faire en sorte que ladite réaction se produise, vous devez atteindre des températures célestes de millions de degrés pendant des périodes prolongées. C’est une référence difficile, et c’est l’une des raisons pour lesquelles le Saint Graal de la fusion – une réaction qui génère plus d’énergie que vous n’en mettez, également connue sous le nom de seuil de rentabilité et de gain – reste insaisissable.

Le tokamak, en théorie, est un moyen d’y accéder. L’idée est qu’en sculptant soigneusement le plasma avec de puissants électroaimants qui tapissent la coquille du beignet, les scientifiques de la fusion peuvent maintenir cette réaction super chaude. Mais les tokamaks sont utilisés depuis les années 1950, et malgré un optimisme continu, ils n’ont jamais été en mesure de mouler le plasma de la manière dont ils devaient tenir leur promesse.

Mais il existe un autre moyen de créer une fusion en dehors d’un tokamak, appelée fusion par confinement inertiel (ICF). Pour cela, vous prenez une pastille d’hydrogène de la taille d’un grain de sable, vous la placez dans un récipient spécial, vous la faites exploser avec des faisceaux laser et vous laissez les ondes de choc résultantes ébouriffer l’intérieur de la pastille en une fusion fulgurante. L’année dernière, un réacteur ICF en Californie s’est rapproché plus que quiconque de ce jalon énergétique. Malheureusement, au cours de l’année qui a suivi, les physiciens n’ont pas été en mesure de faire en sorte que le flash se reproduise.

Des histoires comme celle-ci montrent que s’il existe une méthode alternative, les chercheurs n’hésiteront pas à sauter dessus.

L’idée de réduire le tokamak est apparue dans les années 1980, lorsque des physiciens théoriciens – suivis de simulations informatiques – ont proposé qu’une forme plus compacte puisse gérer le plasma plus efficacement qu’un tokamak traditionnel.

Peu de temps après, des groupes du Culham Center for Fusion Energy au Royaume-Uni et de l’Université de Princeton dans le New Jersey ont commencé à tester la conception. “Les résultats ont été presque instantanément très bons”, déclare Cowley. Ce n’est pas quelque chose que les physiciens peuvent dire avec chaque nouvelle conception de chambre.

Un tokamak au lithium de forme plus classique au Laboratoire de physique des plasmas. Département américain de l’énergie

Malgré son nom, un tokamak sphérique n’est pas une vraie sphère : il ressemble plus à une cacahuète non décortiquée. Cette forme, pensent les partisans, lui confère quelques avantages clés. La taille plus petite permet aux aimants d’être placés plus près du plasma, réduisant ainsi l’énergie (et le coût) nécessaire pour les alimenter. Le plasma a également tendance à agir de manière plus stable dans un tokamak sphérique tout au long de la réaction.

Mais il y a aussi des inconvénients. Dans un tokamak standard, le trou de beignet au milieu de la chambre contient certains de ces électroaimants importants, ainsi que le câblage et les composants nécessaires pour alimenter les aimants et les soutenir. La réduction de la taille du tokamak réduit cet espace en quelque chose comme un trognon de pomme, ce qui signifie que les accessoires doivent être miniaturisés pour correspondre. “La technologie permettant de tout faire passer par le trou étroit au milieu est un travail assez difficile”, déclare Cowley. “Nous avons eu quelques faux départs à ce sujet.”

En plus des problèmes d’ajustement, le fait de placer ces composants plus près du plasma célestement chaud a tendance à les user plus rapidement. En arrière-plan, les chercheurs fabriquent de nouveaux composants pour résoudre ces problèmes. À Princeton, un groupe a rétréci ces aimants et les a enveloppés avec des fils spéciaux qui n’ont pas d’isolation conventionnelle, qui devraient être spécialement traités dans un processus coûteux et sujet aux erreurs pour s’adapter aux conditions difficiles des réacteurs à fusion. Ce développement ne résout pas tous les problèmes, mais c’est une étape progressive.

[Related: At NYC’s biggest power plant, a switch to clean energy will help a neighborhood breathe easier]

D’autres rêvent d’aller encore plus loin. Le monde des tokamaks expérimentaux se prépare actuellement pour ITER, un réacteur d’essai de capacité record qui est en cours depuis les années 1980 et dont la construction sera finalement terminée dans le sud de la France cette décennie. Nous espérons que cela ouvrira la voie à une énergie de fusion viable d’ici les années 2040.

Pendant ce temps, les scientifiques de la fusion conçoivent déjà quelque chose de très similaire en Grande-Bretagne avec un tokamak sphérique pour la production d’énergie, ou STEP. La chambre est loin d’être achevée – les plans les plus optimistes ne prévoient pas qu’elle commence sa construction avant le milieu des années 2030 et ne commence à produire de l’électricité que vers 2040 – mais cela indique que les ingénieurs prennent très au sérieux la conception du tokamak sphérique.

« L’une des choses que nous devons toujours continuer à faire est de nous demander : ‘Si je devais construire un réacteur aujourd’hui, qu’est-ce que je construirais ?’ », déclare Cowley. Les tokamaks sphériques, pense-t-il, commencent à entrer dans cette équation.

Leave a Comment