La fusion nucléaire peut libérer encore plus d’énergie que nous le pensions, selon les scientifiques
Les futures réactions de fusion à l’intérieur des tokamaks pourraient produire beaucoup plus d’énergie qu’on ne le pensait jusqu’à présent, grâce à une nouvelle recherche révolutionnaire qui a permis de découvrir qu’une loi fondamentale pour ces réacteurs était erronée.
Le tokamak TCV à Lausanne en Suisse. (Curdin Wüthrich/SPC/EPFL)
Les recherches, menées par des physiciens du Swiss Plasma Center de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EFPL), ont permis de déterminer que la densité maximale de l’hydrogène est environ deux fois supérieure à la “limite de Greenwald”, une estimation dérivée d’expériences menées il y a plus de 30 ans.
La découverte que les réacteurs de fusion peuvent effectivement fonctionner avec des densités de plasma d’hydrogène beaucoup plus élevées que la limite de Greenwald pour laquelle ils sont conçus influencera le fonctionnement de l’énorme tokamak ITER en cours de construction dans le sud de la France, et aura une incidence considérable sur la conception des successeurs d’ITER, appelés réacteurs de fusion DEMO (Demonstration power plant), a déclaré le physicien Paolo Ricci du Centre suisse du plasma.
“La valeur exacte dépend de la puissance”, a déclaré M. Ricci à Live Science. “Mais à titre d’estimation approximative, l’augmentation est de l’ordre d’un facteur deux pour ITER.”
Ricci est l’un des responsables du projet de recherche, qui a combiné des travaux théoriques avec les résultats d’environ un an d’expériences menées dans trois réacteurs de fusion différents en Europe – le Tokamak à Configuration Variable (TCV) de l’EPFL, le Joint European Torus (JET) à Culham au Royaume-Uni, et le tokamak de mise à niveau Axially Symmetric Divertor Experiment (ASDEX) à l’Institut Max Planck de physique des plasmas à Garching en Allemagne.
Il est également l’un des principaux auteurs d’une étude sur cette découverte publiée le 6 mai dans la revue Physical Review Letters.
La fusion du futur
Les tokamaks en forme de beignets sont l’un des modèles les plus prometteurs de réacteurs à fusion nucléaire qui pourraient un jour être utilisés pour produire de l’électricité pour les réseaux électriques.
Les scientifiques travaillent depuis plus de 50 ans pour faire de la fusion contrôlée une réalité. Contrairement à la fission nucléaire, qui produit de l’énergie en séparant de très gros noyaux atomiques, la fusion nucléaire pourrait générer encore plus d’énergie en réunissant de très petits noyaux.
Le processus de fusion crée beaucoup moins de déchets radioactifs que la fission, et l’hydrogène riche en neutrons qu’il utilise comme combustible est relativement facile à obtenir.
Le même processus alimente des étoiles comme le Soleil, c’est pourquoi la fusion contrôlée est comparée à une “étoile dans un bocal” ; mais comme la très haute pression au cœur d’une étoile n’est pas réalisable sur Terre, les réactions de fusion ici-bas nécessitent des températures plus élevées que le Soleil pour fonctionner.
La température à l’intérieur du tokamak TCV, par exemple, peut atteindre plus de 120 millions de degrés Celsius – soit près de 10 fois la température du cœur de fusion du Soleil, qui est d’environ 15 millions de degrés Celsius.
Plusieurs projets d’énergie de fusion sont actuellement à un stade avancé, et certains chercheurs pensent que le premier tokamak destiné à produire de l’électricité pour le réseau pourrait fonctionner d’ici 2030, a rapporté Live Science.
Plus de 30 gouvernements dans le monde financent également le tokamak ITER (“Iter” signifie “la voie” en latin) qui devrait produire ses premiers plasmas expérimentaux en 2025.
ITER n’est toutefois pas conçu pour produire de l’électricité, mais des tokamaks basés sur ITER qui le feront, appelés réacteurs DEMO, sont actuellement en cours de conception et pourraient être opérationnels d’ici 2051.
Problèmes de plasma
Au cœur des nouveaux calculs se trouve la limite de Greenwald, du nom du physicien du MIT Martin Greenwald qui a déterminé cette limite en 1988.
Les chercheurs essayaient de comprendre pourquoi leurs plasmas de fusion devenaient incontrôlables (ils s’étendaient en dehors des champs magnétiques qu’ils contenaient dans la chambre du tokamak) lorsqu’ils augmentaient la densité du combustible au-delà d’un certain point, et Greenwald a établi une limite expérimentale basée sur le rayon mineur d’un tokamak (la taille du cercle intérieur du beignet) et la quantité de courant électrique traversant le plasma.
Bien que les scientifiques aient longtemps pensé que la limite de Greenwald pouvait être améliorée, elle constitue une règle fondamentale de la recherche sur la fusion depuis plus de 30 ans, a déclaré M. Ricci. Par exemple, c’est un principe directeur de la conception d’ITER.
La dernière étude, cependant, développe à la fois les expériences et la théorie que Greenwald a utilisées pour établir sa limite, ce qui aboutit à une limite de densité de combustible beaucoup plus élevée qui augmentera la capacité d’ITER et influencera la conception des réacteurs DEMO qui suivront, a-t-il ajouté.
La découverte qu’un plasma peut maintenir une densité de combustible plus élevée à mesure que la puissance de la réaction de fusion augmente a été déterminante, a-t-il ajouté.
Il n’est pas encore possible de savoir comment une telle augmentation de la densité du combustible affectera la puissance des tokamaks, a déclaré Ricci, mais il est probable qu’elle sera significative ; et la recherche montre qu’une plus grande densité du combustible rendra les réacteurs de fusion plus faciles à exploiter.
“Les recherches montrent qu’une plus grande densité de combustible facilitera le fonctionnement des réacteurs de fusion. Cela vous permet d’atteindre le régime que vous souhaitez, afin que le réacteur de fusion puisse fonctionner correctement.”
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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche
