ITER et le contrôle du plasma : où en est-on ?

La piste de la fusion nucléaire, explo­rée notam­ment dans le cadre du pro­jet ITER à Cada­rache (« Inter­na­tio­nal ther­mon­cu­lear expe­ri­men­tal reac­tor », en anglais), est riche de pro­messes. C’est un défi scien­ti­fique et tech­no­lo­gique à l’ho­ri­zon de plu­sieurs décen­nies. L’un des enjeux les plus impor­tants est de créer et main­te­nir le plas­ma, milieu peu­plé de par­ti­cules char­gées éner­gé­tiques, à 150 mil­lions de degrés Cel­sius pour entre­te­nir les réac­tions de fusion.

Le plas­ma, consi­dé­ré comme le « qua­trième état de la matière » (après le solide, le liquide et le gaz), est par­fois décrit comme une « soupe d’électrons et d’ions ». L’état de plas­ma est très répan­du dans l’univers. On peut l’observer, par exemple, dans les aurores boréales ou l’ionosphère : le bom­bar­de­ment de par­ti­cules pro­ve­nant du vent solaire où les rayon­ne­ments solaires arrachent les élec­trons des atomes ou molé­cules de la très haute atmo­sphère, pro­vo­quant l’ionisation. L’ionosphère est un milieu dilué, par­tiel­le­ment ioni­sé, où les élec­trons peuvent être assez éner­gé­tiques, mais où les ions, atomes ou molé­cules demeurent assez froids ; les effets col­lec­tifs propres aux plas­mas y sont déjà à l’œuvre. 

Autre plas­ma aux condi­tions radi­ca­le­ment dif­fé­rentes, celui qui se trouve au cœur du soleil ou des étoiles : la matière entiè­re­ment ioni­sée atteint des tem­pé­ra­tures de l’ordre de la dizaine de mil­lions de degrés, ce qui per­met aux élé­ments légers, comme l’hy­dro­gène, de fusion­ner pour for­mer des atomes plus lourds. Le pro­ces­sus de fusion demande beau­coup d’énergie, et il en pro­duit encore davan­tage. C’est ce pro­ces­sus que l’on espère repro­duire quand on parle d’« éner­gie de fusion ».

Le pro­jet ITER consiste pré­ci­sé­ment à expé­ri­men­ter la pro­duc­tion d’énergie par fusion d’isotopes de l’hydrogène (même charge, mais de masse dif­fé­rente), le deu­té­rium et le tri­tium, pour don­ner de l’hélium. Le dis­po­si­tif uti­li­sé s’appelle un toka­mak (acro­nyme russe de « chambre toroï­dale avec bobines magné­tiques » !). Son prin­cipe, déve­lop­pé en Union sovié­tique dans les années 1950–1960, est basé sur le confi­ne­ment magné­tique des par­ti­cules char­gées du plasma.

ITER, réac­teur expé­ri­men­tal fruit d’une col­la­bo­ra­tion inter­na­tio­nale sans pré­cé­dent (34 pays), actuel­le­ment en construc­tion à Cada­rache, au nord de Mar­seille, est l’étape de démons­tra­tion atten­due après un demi-siècle de recherche. Le cœur d’ITER est un toka­mak géant de près de 30 m de haut.

ITER, réac­teur expé­ri­men­tal fruit d’une col­la­bo­ra­tion inter­na­tio­nale sans pré­cé­dent (34 pays), est l’étape de démons­tra­tion atten­due après un demi-siècle de recherche.

Pour que la fusion se pro­duise, les noyaux doivent entrer en col­li­sion assez rapi­de­ment pour sur­mon­ter leur répul­sion cou­lom­bienne et assez sou­vent pour que le pro­ces­sus soit auto-entre­te­nu. Un toka­mak doit donc main­te­nir des den­si­tés rela­ti­ve­ment éle­vées d’ions légers à des tem­pé­ra­tures énormes – envi­ron 100 mil­lions de degrés – pen­dant un temps suf­fi­sam­ment long. 

Contrai­re­ment à la fis­sion d’atomes lourds, où les pro­duits de la réac­tion pro­voquent eux-mêmes d’autres réac­tions, il n’y a pas de média­teur de la réac­tion de fusion et donc pas de réac­tion en chaîne. C’est pré­ci­sé­ment l’ab­sence de pos­si­bi­li­té d’emballement de la réac­tion dans un réac­teur à fusion qui rend la fusion beau­coup plus attrayante que la fis­sion. De plus, la fusion ne pro­duit pas de gaz à effet de serre, ni d’éléments fis­sile ou hau­te­ment radio­ac­tif à vie longue (cepen­dant les maté­riaux de l’intérieur du réac­teur seront acti­vés, mais à vie courte) ; son com­bus­tible existe en abon­dance (le deu­té­rium existe dans l’eau, à rai­son de 33g par m³, et peut être faci­le­ment extrait par élec­tro­lyse ; le tri­tium peut être pro­duit dans le réac­teur de fusion à par­tir du lithium, lui-même abon­dant sur Terre).

Comme il n’est pas pos­sible de conte­nir un plas­ma aux condi­tions ther­mo­nu­cléaires (150 mil­lions de degrés) dans une enceinte maté­rielle ordi­naire, on uti­lise des champs magné­tiques intenses (de l’ordre de 5 à 10 T) pour iso­ler les par­ti­cules char­gées du plas­ma de la chambre qui les contient. La confi­gu­ra­tion toka­mak, qui a don­né les meilleures per­for­mances, com­bine 3 sys­tèmes de bobines pour géné­rer une « cage » magné­tique en forme de tore dans laquelle les par­ti­cules char­gées cir­culent en res­tant confinées. 

Com­ment chauf­fer ce plas­ma jusqu’à ini­tier les réac­tions de fusion ? Plu­sieurs options :  le chauf­fage par radio­fré­quence (des micro-ondes, pour sim­pli­fier) ; le chauf­fage par col­li­sions, en injec­tant des ions d’hydrogène por­tés à haute éner­gie par un accé­lé­ra­teur ; la ques­tion étant de par­ve­nir à neu­tra­li­ser ces ions éner­gé­tiques pour qu’ils puissent péné­trer dans le toka­mak (si « rien » ne sort, rien ne rentre non plus). 

Com­ment main­te­nir le plas­ma à ces très hautes tem­pé­ra­tures pour que le pro­ces­sus s’entretienne ? Il faut d’une part garan­tir la « sta­bi­li­té » du plas­ma, pour évi­ter que des insta­bi­li­tés à grande échelle ne viennent perdre le plas­ma sur les parois, à l’i­mage des grandes arches qui se déve­loppent à la sur­face du soleil et qui éjectent la matière nous arri­vant sous forme de vent solaire. Car, dans le plas­ma très chaud – un état de la matière par défi­ni­tion hors équi­libre ther­mo­dy­na­mique, peuvent se déve­lop­per des insta­bi­li­tés, ou de la turbulence. 

La grande taille d’ITER résulte d’ailleurs du fait que l’agitation tur­bu­lente aug­mente la dif­fu­sion col­li­sion­nelle à tra­vers les lignes de champ magné­tique : les vor­tex de dif­fé­rentes tailles brassent la matière et mélangent le cœur plus chaud avec le bord plus froid ; il faut plus de « couches » iso­lantes pour gar­der la cha­leur au cœur du plas­ma. Nous tra­vaillons à la fois à déve­lop­per des outils d’observation, dans des condi­tions encore jamais expé­ri­men­tées, pour com­prendre et modé­li­ser ces phé­no­mènes et pour opti­mi­ser le contrôle de la turbulence. 

Rien qu’on puisse réa­li­ser dans son garage… comme le lais­se­raient pen­ser cer­taines annonces fan­tai­sistes sur la fusion. D’autres confi­gu­ra­tions magné­tiques existent, comme, par exemple, le « stel­le­ra­tor », déve­lop­pé entre autres par l’Institut Max-Planck, en Allemagne. 

La dif­fé­rence porte prin­ci­pa­le­ment sur la façon de pro­duire la struc­ture magné­tique com­plexe (lignes de champ enrou­lées sur des tores emboî­tés) : dans le cas du stel­le­ra­tor, ce sont les bobines, de concep­tion extrê­me­ment com­plexe, qui génèrent direc­te­ment et « en conti­nu » la struc­ture magné­tique ; dans le cas du toka­mak, c’est la com­po­si­tion du champ pro­duit par les bobines et du champ pro­duit par un cou­rant, qui sera main­te­nu pen­dant une dizaine de minutes sur ITER et devra donc être cyclique. 

Il est dif­fi­cile pour le moment de pré­dire quelle confi­gu­ra­tion sera la plus per­for­mante en termes de qua­li­té du confi­ne­ment, celle-ci res­tant étroi­te­ment liée à la taille du dis­po­si­tif, et en termes de via­bi­li­té économique.

Lan­cé au milieu des années 1980, les pre­miers plas­mas ne seront pas obte­nus avant 2027. Cepen­dant, toute la com­mu­nau­té est mobi­li­sée pour avan­cer, en paral­lèle de la pré­pa­ra­tion d’ITER, sur les ques­tions scien­ti­fiques, mais aus­si tech­niques qui pour­raient per­mettre de rendre dis­po­nible l’énergie de fusion dans la seconde moi­tié du siècle. Le toka­mak euro­péen JET, le plus grand actuel­le­ment en fonc­tion­ne­ment, a récem­ment bat­tu les records pour l’énergie de fusion pro­duite (59 MJ dans un plas­ma cible réa­liste deu­té­rium-tri­tium), ce qui consti­tue une excel­lente pré­pa­ra­tion à l’opération d’ITER. Des champs magné­tiques très intenses (20 T) ont été obte­nus avec des bobines de type toka­mak uti­li­sant des supra­con­duc­teurs haute tem­pé­ra­ture, ouvrant la voie à des dis­po­si­tifs plus petits et plus per­for­mants, donc plus éco­no­miques. De plus en plus de ces avan­cées impliquent des start-ups et des ini­tia­tives pri­vées qui signalent sans doute la matu­ri­té crois­sante du domaine. ITER reste essen­tiel pour la com­mu­nau­té, car ce n’est que là qu’il sera pos­sible de tes­ter de façon inté­grée l’ensemble des pro­blé­ma­tiques liées à la pro­duc­tion d’énergie de fusion.