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Des scientifiques de l’EPFL (Swiss Plasma Center) ont récemment réécrit la loi fondamentale du plasma pour la fusion, révélant que davantage d’hydrogène peut être utilisé en toute sécurité dans les réacteurs de fusion, ce qui pourrait entraîner une augmentation de la production d’énergie.
La physique de la fusion regorge d’excellentes opportunités. Dans le cadre de la collaboration européenne, des physiciens de l’EPFL ont passé en revue l’une des lois fondamentales qui sous-tendent la recherche sur le plasma et la fusion depuis plus de trois décennies, régissant même la conception de mégaprojets comme ITER. La nouvelle découverte physico-mathématique (empirique) démontre comment de l’hydrogène supplémentaire peut être utilisé en toute sécurité dans les réacteurs à fusion pour augmenter la production d’énergie.
Compte tenu des objectifs ambitieux en matière de changement climatique, l’attention se tourne vers des sources d’énergie plus propres pour parvenir à une transition verte. Investir uniquement dans les sources d’énergie renouvelables, en revanche, peut ne pas être suffisant pour garantir un approvisionnement énergétique économiquement fiable et sûr. Il ne fait aucun doute que la fusion est le Saint Graal de l’énergie. Il faudra de nombreuses années avant que l’énergie solaire et le stockage de l’énergie puissent conduire la révolution énergétique que nous sommes sur le point de vivre.
La fusion implique la combinaison de deux noyaux atomiques en un seul, libérant ainsi d’énormes quantités d’énergie. Chaque jour, nous en faisons l’expérience à travers la chaleur du soleil. Il existe actuellement plusieurs projets et nous en avons parlé sur ce blog. L’un, en particulier, est ITER : son objectif est la création d’un plasma à haute température pour fournir le bon environnement pour la fusion, produisant ainsi de l’énergie.
Les plasmas, qui ressemblent à des gaz en ce sens qu’ils sont constitués de noyaux chargés positivement et d’électrons chargés négativement, sont environ un million de fois moins denses que l’air que nous respirons. Les plasmas sont créés en soumettant le “combustible de fusion” – les atomes d’hydrogène – à des températures extrêmement élevées (10 fois la température du noyau du soleil), forçant les électrons à se séparer de leurs noyaux atomiques. Le processus se déroule à l’intérieur d’une structure en forme de beignet (“toroïdale”) appelée “tokamak”.
Projet ITER
La chambre à vide en forme de beignet d’un tokamak est son cœur battant. Lorsque l’hydrogène gazeux est exposé à des températures élevées, il se transforme en plasma. Les plasmas offrent un environnement permettant aux composants légers de se mélanger et de générer de l’énergie. Les particules chargées dans le plasma sont sculptées par de puissantes bobines magnétiques, qui éloignent le plasma chauffé des parois de la structure tout en le maintenant suffisamment épais pour que les particules fusionnent. Lorsque les particules de plasma se chargent et entrent en collision, elles commencent à chauffer.
Des températures de fusion (entre 150 et 300 millions de °C) peuvent désormais être atteintes avec les technologies actuelles. Pour contenir le plasma (bobines à champ toroïdal) et conserver sa forme et sa stabilité, ITER utilise des aimants supraconducteurs (bobines à champ poloïdal).
Nouvelle théorie
Selon les experts de l’EPFL, il y a trois aspects essentiels à prendre en compte lors de la production de plasma pour la fusion : haute température, haute densité d’hydrogène et confinement efficace. Paolo Ricci du Swiss Plasma Center a découvert que le tokamak ITER prévu peut fonctionner avec deux fois plus d’hydrogène et donc produire plus d’énergie de fusion qu’on ne le pensait auparavant. L’une des contraintes à la création de plasma dans un tokamak est la quantité d’hydrogène disponible. Si plus de carburant est ajouté, la soi-disant « perturbation », ou perte de confinement du plasma, se produira, selon les experts.
Des recherches ont été menées au fil du temps pour anticiper la densité maximale d’hydrogène pouvant être employée. Martin Greenwald a fourni une équation reliant la densité de carburant au plus petit rayon du tokamak (le rayon du cercle intérieur du beignet) et le courant circulant dans le plasma à l’intérieur du tokamak. La « limite de Greenwald », dérivée empiriquement, sur laquelle ITER est construit, est depuis lors un principe fondamental de la recherche sur la fusion.
Le Swiss Plasma Center a prévu une expérience pour gérer avec précision la quantité de carburant pompée dans un tokamak en partenariat avec d’autres équipes de tokamak. Plusieurs partenariats majeurs ont eu lieu, dont le Joint European Torus au Royaume-Uni et l’ASDEX Upgrade en Allemagne (Max Plank Institute).
Une règle permettant de lier la densité du combustible à la taille du tokamak a été développée en analysant les données et les processus associés, ainsi qu’une simulation informatique avec un modèle mathématique. Selon les scientifiques, les simulations expliquent que lorsque plus de carburant est ajouté au plasma, des parties de celui-ci se déplacent de la couche externe froide du tokamak (la limite) vers son noyau car le plasma devient plus turbulent.
Ainsi, contrairement à un fil de cuivre électrique qui devient plus résistant lorsqu’il est chauffé, les plasmas deviennent plus résistants lorsqu’ils refroidissent. Par conséquent, plus on met de carburant à la même température, plus il y a de parties du plasma qui se refroidissent et plus le courant a du mal à traverser le plasma, ce qui peut entraîner une interruption.
Les résultats ont lancé une nouvelle équation pour la limite de carburant dans un tokamak, qui s’aligne très bien avec les expériences. L’étude a été publiée dans Physical Review Letters. L’équation montre que la limite de Greenwald peut être augmentée. Autrement dit, ITER peut utiliser près de deux fois plus de carburant pour produire du plasma sans se soucier des pannes.