La fusion contrôlée par confinement magnétique et le projet ITER : Reproduire les réactions du cœur des étoiles.

Alain Bécoulet, directeur de l'Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique du CEA. (IRFM)

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Dès les années 1950, les scientifiques ont cherché à chauffer des noyaux légers à des températures de plusieurs millions de degrés afin de provoquer par collisions les réactions de fusion thermonucléaires sources de l’énergie des étoiles, en vue de les domestiquer et de développer une nouvelle source d’énergie quasi-inépuisable et intrinsèquement sûre. La réaction exothermique envisagée est celle qui fait entrer en collision les isotopes de l’Hydrogène que sont le Deutérium (D) et le Tritium (T), ce qui produit un neutron et un noyau d’Hélium 4.

Pour obtenir de telles températures dans des milieux suffisamment denses pour que ces réactions aient lieu, il faut non seulement chauffer le mélange D-T mais aussi assurer le confinement des particules et de leur énergie sur des temps suffisants pour que le triple-produit « densité x température x temps de confinement de l’énergie » dépasse une valeur seuil au-delà de laquelle démarre
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et s’entretient. Cette condition porte le nom de critère de Lawson.
Ce confinement de l’énergie et des particules est assuré naturellement au cœur des étoiles par la force gravitationnelle. Pour l’obtenir sur terre, deux voies sont possibles: soit celle qui consiste à mimer la nature en comprimant très fortement une petite bille contenant le mélange D-T en la soumettant par exemple à des impulsions lasers convergentes et simultanées (voie dite « inertielle »), soit à enfermer et chauffer le mélange dans une « bouteille » suffisamment isolante. Aux températures considérées, le mélange se présente sous l’état d’un gaz totalement ionisé. Dans cet état, que l’on nomme un plasma, où noyaux de D(+) et de T(+) et électrons(-) sont totalement dissociés et libres, l’idée est de contraindre la trajectoire de chaque particule à suivre les lignes d’un champ magnétique imposé. Ceci constitue le principe même de la seconde voie de confinement, que l’on nomme par conséquent « magnétique ».
Dès les années 50, les deux voies de confinement ont été étudiées. Pour sa part, le confinement magnétique a tout d’abord donné lieu à beaucoup d’études pour mettre au point une bouteille magnétique capable non seulement de confiner un plasma chaud en produisant des temps de confinement suffisants pour satisfaire le critère de Lawson, mais également d’assurer la stabilité et la pérennité de l’ensemble. La configuration la plus performante, dite « tokamak » (acronyme formé de la contraction de l’expression « chambre à vide torique magnétique » en langue russe), est celle d’une chambre torique dans laquelle règne un champ magnétique à base de lignes de champs qui s’enroulent de manière hélicoïdale en formant des surfaces emboîtées. Ce champ est la résultante d’un champ statique horizontal généré par des bobines verticales réparties tout autour de la chambre à vide et d’un champ vertical auto-généré par un courant intense qui parcourt le plasma.


L’étude extensive de cette configuration tokamak a rapidement montré alors le lien fort entre le temps de confinement de l’énergie et les paramètres ingénieurs principaux de la machine que sont notamment la taille et le courant plasma. A partir de 1959, le CEA a été pionnier dans la réalisation de plusieurs tokamaks expérimentaux, dont TFR à Fontenay-aux-Roses et Petula à Grenoble, permettant de mettre au point les technologies de production, gestion et analyse du plasma à très haute température nécessaire à la génération des réactions de fusion. Jet (Joint European Torus), construit par l’Union Européenne entre 1978 et 1982 en Grande Bretagne, et Tore Supra, en exploitation au CEA à Cadarache depuis 1988, ont constitué les étapes pionnières d’étude des phénomènes physiques liés à la réaction de fusion, de définition des lois d’échelles qui régissent le confinement de l’énergie et donc la performance fusion, et d’identification des défis technologiques à relever, comme l’érosion des matériaux constituant l’enceinte de confinement des tokamaks ou le fonctionnement d’un réacteur en continu. Ainsi les ingénieurs et les chercheurs de Tore Supra ont obtenu en 2003 une durée record de plasma de plus de six minutes et le Jet a établi en 1997 le record mondial de puissance de fusion avec 16 MW produits sur un temps court. Tore Supra, devenu WEST en 2016, se consacre désormais intégralement à la mise au point des solutions d’évacuation en continu de la chaleur produite par le plasma.
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TER est le fruit de l’ensemble des recherches en fusion magnétique du XXe siècle. Ce tokamak fait usage de l’ensemble des résultats de performance plasma, tout en intégrant l’ensemble des technologies de pointe qui lui permettent de générer des plasmas chauffés par 50MW de puissance additionnelle et produisant 500MW de fusion sur des durées de l’ordre de quelques dizaines de minutes, et ce de manière répétitive et sûre. Le tokamak ITER est en cours de construction à Cadarache, dans le sud de la France, sous les auspices d’une Organisation Internationale créée en 2006 et qui regroupe les efforts cumulés en la matière de la Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l’Europe, L’Inde, le Japon, et de la Russie. La France, à la fois pays européen et pays hôte, en assurera également le démantèlement final. Les performances attendues requièrent un volume plasma d’environ 800 mètres-cubes, un champ magnétique statique de 5.3 teslas, et un courant plasma de 15 millions d’ampères. Cette installation entrera en fonctionnement vers 2025, et devra atteindre son régime de performance nominal vers 2035.

Aujourd’hui ITER est en pleine effervescence de construction. L’équipe internationale est à pied d’œuvre tant à Cadarache que dans l’ensemble des sept agences domestiques en charge de la fourniture des composants de la machine. Les bâtiments sortent de terre à un rythme très soutenu, alors que les centaines de kilomètres de câbles supraconducteurs des bobines de champ statique sont déjà produits et en cours de bobinage, que la plateforme de Cadarache est déjà raccordée au réseau de distribution électrique 400kV, que le cryostat qui contiendra la machine est en cours d’assemblage, que l’enceinte à vide est en fabrication, … Des centaines de convois exceptionnels auront sillonnée à terme les routes de la Provence pour livrer l’ensemble des composants de cette installation unique au monde.
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Les résultats d’ITER, s’ils confirment les attentes, serviront à lancer la construction du premier réacteur de fusion de démonstration, souvent appelé DEMO, qui devra intégrer alors l’ensemble des technologies pour assurer l’opération d’une telle installation sur la durée nécessaire à l’industrialisation future de ce type de source d’électricité. Cela implique en parallèle des recherches sur ITER de conduire les développements de matériaux de structure et de matériaux face au plasma capables de résister aux conditions de chaleur et de flux neutroniques sur ces temps d’exploitation, de développer les technologies de production in-situ du Tritium, isotope à vie courte de l’Hydrogène non disponible naturellement sur terre, ainsi que de l’ensemble des ancillaires d’une telle installation dédiés à la production de l’électricité à partir de la chaleur collectée. La conclusion la plus évidente face à un tel défi est bien entendu qu’une telle source d’électricité ne verra raisonnablement sa commercialisation qu’à l’aube du siècle prochain. Mais les perspectives à la fois d’abondance du combustible, de propreté et de sûreté intrinsèque de la filière motivent les chercheurs du monde entier dans cette quête de longue haleine.

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Pour en savoir plus :

- Le projet ITER : http://www.iter.org
- L’essentiel sur la fusion nucléaire : http://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/nucleaire/essentiel-sur-la-fusion-nucleaire.aspx
- Multimédia : le film « Fusion(s) » http://www.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/physique-chimie/fusions.aspx
- Multimédia : La fusion contrôlée par confinement magnétique, le CEA et ITER https://www.youtube.com/watch?v=xezCtw8zHbc
- La Fusion Magnétique au CEA : http://irfm.cea.fr
- Le programme d’accompagnement européen EUROfusion : https://www.euro-fusion.org


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