Dans la longue marche vers la fusion nucléaire, l’étape est historique. Mercredi 2 février, le consortium Eurofusion, qui rassemble 30 instituts de recherche européens, dont le CEA pour la France, et qui opère le réacteur européen Jet (Joint European Torus), à Culham au Royaume-Uni, a annoncé avoir enregistré une production de 59 mégajoules (MJ) d’énergie de fusion pendant plusieurs secondes. De quoi écraser le record précédent, déjà détenu par le réacteur Jet et qui était resté inchangé depuis… 1997. Mais aussi paver la voie du projet international Iter, qui se développe à Cadarache (Bouches-du-Rhône) sur un modèle proche pour tenter de faire de la fusion nucléaire une réalité, qui apporterait une énergie abondante, décarbonée et quasiment illimitée.
« Au-delà du record, nous avons surtout établi avec une confiance élevée que Iter peut atteindre son but », a déclaré le directeur du Centre de Culham pour l’énergie de fusion (CCFE), Ian Chapman. Avant de préciser qu’obtenir une production d’énergie nette via la fusion, ce qui est l’objectif du projet Iter, imposera de « surmonter encore des obstacles, y compris certains que nous ne connaissons pas ». Une autre leçon de l’expérience Jet, au cours de laquelle les scientifiques ont dû approfondir leurs connaissances et remodeler en profondeur l’infrastructure du tokamak pour progresser.
Le même mix de combustible qu’Iter
Souvent présenté comme le prédécesseur d’Iter, Jet a été inauguré en 1984. Longtemps le plus grand tokamak en opération (il a été dépassé depuis par le JT60-A au Japon, qui n'est pas encore en opérations), ce réacteur est « le plus similaire à Iter », explique à L’Usine Nouvelle Jeronimo Garcia, physicien nucléaire au CEA, chargé de définir et implémenter la dernière campagne de Jet.« La taille d’un réacteur joue sur le confinement du plasma, et surtout, Jet est le seul tokamak au monde capable de travailler avec un mix de combustible deutérium tritium (ou D-T), comme l’utilisera Iter. »
Eurofusion Si Jet imite le fonctionnement futur d'Iter, la taille et les aimants supraconducteurs du réacteur en construction à Cadarache le distinguent de son prédécesseur... ©Eurofusion
Radioactif et rare, le tritium est l’isotope le plus lourd de l’hydrogène, ce qui aide à générer une réaction de fusion énergétique qui, à terme, pourrait être auto-entretenue. Les autres réacteurs de recherche dans le monde, tels East en Chine ou West en France, opèrent des fusions entre deux atomes de deutérium, ou en intégrant de l’hélium. De quoi générer des plasmas sur de plus longues périodes, mais en perdant en informations par rapport à ce que sera la réaction de fusion génératrice nette d’énergie visée par Iter.
Analyser la physique des plasmas
En 1997 déjà, c’est un mix contenant du tritium qui avait permis à Jet d’atteindre son record historique de 21,7 mégajoules au cours d’une réaction d'un peu moins d’une seconde. Mais lors de la campagne de 2021, les scientifiques ont voulu aller plus loin et améliorer la durée de vie de la réaction. « L’objectif était de combiner une puissance élevée et un temps de confinement important », narre Jeronimo Garcia. En poussant les réglages au maximum, « nous avons généré une puissance proche de celle de la première campagne, à 13 MW, mais durant 5 secondes », se félicite-t-il. De quoi générer 59 mégajoules d’énergie, soit l’équivalent de la combustion d’un kilo de gaz avec seulement 0,1 mg de tritium et 0,07 mg de deutérium.
Eurofusion Comparaison entre les résultats de la première campagne de 1997 (en gris) et ceux de 2021, avec un mix deutérium-tritium équilibré (courbe bleue) ou riche en tritium (courbe rouge) © Eurofusion
« L’objectif n’était pas de générer de l’énergie, mais d’analyser en détail la physique des plasmas en présence d'une quantité significative de puissance de fusion », précise Jeronimo Garcia. Ainsi, alors que l’expérience de 1997 arborait un ratio de 0,6 entre l’énergie injectée dans le plasma et celle produite par la fusion, celle de 2021 n’affiche qu’un ratio de 0,3. Pas si mal, mais loin du seuil d’ignition visé par Iter, dont la taille et les aimants supraconducteurs lui permettent d’envisager produire 10 fois plus d’énergie qu’il n’en consomme en 2035. Jet est doté d’électroaimants en cuivre, plus énergivores et non refroidis activement, ce qui limite sa capacité à confiner le plasma sur de longues périodes.
De nouveaux matériaux pour la surface du tokamak
Pourquoi avoir attendu si longtemps pour faire une nouvelle expérience ? « Il a fallu analyser les résultats de la campagne de 1997 et améliorer notre compréhension de la physique des plasmas D-T, puis installer ce dont nous avions besoin dans la machine pour progresser », résume Jeronimo Garcia. Ainsi, la réussite d’Eurofusion a bénéficié des dernières avancées en modélisation pour optimiser la stabilité du plasma en jouant sur sa vitesse de rotation et sur la phase de montée en puissance, résume le physicien. Qui note que la puissance injectée par le plasma (via des ondes radiofréquences et l’injection de particules énergétiques) a aussi augmenté.
Les connaissances acquises en 1997 ont aussi poussé les scientifiques à transformer radicalement la surface du tokamak de Jet, pour remplacer le carbone par du béryllium, au sein du mur principal et du tungstène au sein du divertor (qui évacue la chaleur). Des matériaux aussi utilisés dans le cadre du projet Iter, car ils résistent aux fortes chaleurs de fusion tout en absorbant dix fois moins de tritium que le carbone, ont pu confirmer les scientifiques au cours de la campagne d’essai de 2021. Au-delà des coûts et de l’ingénierie monstre nécessaire pour transformer la machine, « le changement de matériaux a aussi eu des impacts sur la fusion, car ces nouveaux éléments peuvent polluer le plasma d’hydrogène, ce qu’il a fallu éviter et compenser », explique Jeronimo Garcia... Reste maintenant à analyser les résultats obtenus via ce nouveau record pour adapter le pilotage d'Iter, et espérer rester dans les clous de la feuille de route de la fusion nucléaire, qui vise un premier plasma auto-entretenu aux alentours de 2035.
