Résumé :
Des chercheurs du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du Département américain de l'énergie ont proposé une nouvelle idée pour réaliser la fusion nucléaire. Leurs derniers calculs montrent que si la séquence de chauffage et de compression du plasma est modifiée, l'énergie nécessaire pour réaliser « l'allumage » dans les futurs réacteurs à fusion pourrait être considérablement réduite, ouvrant ainsi une voie plus efficace pour le développement d'une fusion nucléaire contrôlable.
La fusion nucléaire est considérée comme l’une des technologies d’énergie propre les plus prometteuses pour l’avenir. Son principe est le même que le processus de génération d'énergie à l'intérieur du soleil. En permettant aux noyaux d’éléments légers de subir des réactions de fusion, d’énormes quantités d’énergie peuvent être libérées sans pratiquement aucune émission de gaz à effet de serre. Cependant, il est extrêmement difficile de reproduire l’environnement extrême à l’intérieur du Soleil sur Terre, et les scientifiques recherchent depuis des décennies le meilleur moyen d’obtenir des réactions de fusion stables.
Depuis les années 1950, le domaine de la recherche sur la fusion s'appuie principalement sur le « critère de Lawson » pour évaluer les conditions d'allumage de la fusion. Cette théorie est utilisée pour déterminer si un plasma peut maintenir une température et une densité suffisamment élevées pendant une période suffisamment longue pour poursuivre la réaction de fusion avec sa propre énergie générée sans avoir recours à un chauffage externe.
Cependant, le critère de Lawson ne peut que décrire les conditions qui doivent être remplies, mais n'indique pas clairement comment atteindre ces conditions avec la plus grande efficacité. À cette fin, l’équipe de recherche du PPPL a ajouté quatre facteurs supplémentaires au cadre traditionnel, notamment les cendres d’hélium produites lors du processus de fusion, les impuretés de la paroi du réacteur, la perte d’énergie du rayonnement synchrotron et la perte de chaleur du plasma, établissant ainsi un nouveau modèle plus proche de la situation réelle.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Physical Review Letters. Les chercheurs ont déclaré que lorsque ces facteurs réalistes sont inclus dans les calculs, de nombreuses solutions de conception qui semblaient initialement réalisables changeront considérablement et auront donc une valeur de référence importante pour la conception future du réacteur.
Le plasma est souvent appelé le quatrième état de la matière. Lorsqu’un gaz est chauffé à des températures extrêmement élevées, les particules qu’il contient se chargent et un plasma se forme. Dans un dispositif de réaction de fusion, les scientifiques doivent chauffer le plasma à des températures extrêmes afin que les noyaux puissent surmonter la répulsion électrique entre eux et subir une réaction de fusion.
L'équipe de recherche a comparé le processus d'allumage par fusion à la traversée d'un terrain bloqué par des montagnes. Selon les idées de nombreuses solutions existantes, les chercheurs augmentent souvent d'abord la densité du plasma, puis continuent d'augmenter la température, ce qui équivaut à escalader directement les montagnes pour atteindre leur destination. Mais de nouveaux modèles suggèrent qu’il pourrait en réalité exister un itinéraire moins laborieux.
Les résultats des calculs montrent que chauffer le plasma à une température plus élevée, puis augmenter progressivement sa densité, peut atteindre le même objectif avec une consommation totale d'énergie inférieure. Cette approche équivaut à contourner la montagne et à entrer dans la destination par le côté, plutôt que de gravir directement l'itinéraire le plus raide.
Les chercheurs ont utilisé des modèles mathématiques pour trouver ce qu'on appelle le « point de selle de Cordey », le chemin avec la plus faible énergie nécessaire pour réaliser l'allumage de la fusion. Les résultats montrent que la stratégie consistant à « chauffer d’abord, puis augmenter la densité » se situe dans cette zone optimale et devrait devenir une orientation de conception importante pour les futurs dispositifs de fusion.
En plus de découvrir de nouvelles voies d'inflammation, l'équipe de recherche a également obtenu d'autres conclusions importantes. Les modèles montrent que même de minuscules quantités d’impuretés de tungstène pénétrant dans le plasma peuvent avoir un impact significatif sur la réaction de fusion, voire provoquer son échec. Étant donné que le tungstène présente une résistance à des températures extrêmement élevées, il est actuellement prévu de l'utiliser comme matériau de paroi interne de nombreux futurs réacteurs à fusion. Par conséquent, comment empêcher le tungstène de pénétrer dans le plasma deviendra l’un des principaux défis techniques.
Les chercheurs ont également découvert qu'il existe certains « mécanismes de freinage » naturels à l'intérieur du plasma de fusion qui limitent l'amélioration de la réaction. Ces effets n’ont pas été pleinement pris en compte dans les calculs globaux par le passé, mais le nouveau modèle est en mesure de refléter plus pleinement ces facteurs d’influence.
Bien que ces recherches soient encore au stade théorique et informatique et ne permettent pas directement de nouvelle percée expérimentale en matière de fusion, les scientifiques estiment qu'elles fournissent une feuille de route plus efficace pour la conception des futurs réacteurs. Si les conclusions pertinentes peuvent être vérifiées sur des appareils réels, le coût et l'investissement énergétique requis pour commercialiser l'énergie de fusion à l'avenir pourraient être considérablement réduits, accélérant ainsi l'objectif de l'humanité d'une énergie propre presque illimitée.
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