Confiner une étoile dans un piège magnétique invisible

01 · Le principe

Fusion

La fusion thermonucléaire est le processus par lequel des noyaux atomiques légers fusionnent pour former des noyaux plus lourds. Lors de cette fusion, une partie de la masse est convertie en énergie selon la célèbre équation d’Einstein E=mc². La fusion thermonucléaire est la source d’énergie de la plupart des étoiles, y compris notre Soleil.

Au cœur du Soleil, les noyaux d’hydrogène se transforment progressivement en noyaux d’hélium. Cependant, contrairement à une idée répandue, ce processus ne se produit pas rapidement, mais très lentement. Bien que la température au cœur du Soleil atteigne environ 15 millions de degrés, la probabilité que deux protons entrent en collision puis fusionnent est extrêmement faible. Si ces réactions se produisaient plus rapidement, le Soleil aurait épuisé son combustible en quelques millions d’années, et non en plusieurs milliards.

Alors, comment la fusion parvient-elle malgré tout à se maintenir ? La principale raison réside dans l’immense densité de matière et les dimensions colossales de l’étoile. Les régions centrales du Soleil contiennent un nombre si important de particules que, même extrêmement rares, les réactions réussies produisent ensemble une quantité gigantesque d’énergie. De plus, le plasma est maintenu par la propre gravité du Soleil : l’immense pression exercée par les couches supérieures empêche la matière chaude de se disperser dans l’espace.

Il est impossible de reproduire les conditions solaires sur Terre. Nous ne pouvons ni créer une matière d’une telle densité ni la maintenir confinée grâce à la gravité. Nous devons donc adopter une autre approche. Lorsque la température du plasma est portée à plusieurs dizaines, voire centaines de millions de degrés, les noyaux se déplacent beaucoup plus rapidement. Leur énergie cinétique les aide à surmonter leur répulsion électrique mutuelle, augmentant ainsi considérablement la probabilité de fusion thermonucléaire.

Un nouveau problème apparaît alors. À de telles températures, toute matière se trouve à l’état de plasma, un mélange d’électrons libres et d’ions. Aucun matériau ne peut résister au contact avec un plasma chauffé à plusieurs centaines de millions de degrés. De plus, le plasma a naturellement tendance à se dilater et à quitter rapidement la zone de réaction.

Pour produire de l’énergie, il ne suffit donc pas de chauffer le plasma. Trois conditions doivent être réunies simultanément : une température suffisante, une densité de particules suffisante et un temps de confinement suffisamment long. Si le plasma refroidit ou se disperse trop rapidement, le nombre de réactions sera insuffisant et l’énergie produite sera inférieure à celle nécessaire pour le chauffer.

02 · Notre approche

Pièges magnétiques ouverts

L’une des premières approches développées dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée repose sur les pièges magnétiques ouverts, également appelés miroirs magnétiques. Leur conception est beaucoup plus simple que celle des tokamaks ou des stellarators : le plasma n’est pas confiné dans un tore fermé, mais au sein d’un système magnétique linéaire.

Imaginez une longue chambre cylindrique traversée par un champ magnétique. Celui-ci est relativement faible dans la partie centrale et nettement plus intense aux extrémités. Une particule chargée se déplaçant le long d’une ligne de champ tourne simultanément et très rapidement autour de celle-ci. Si le champ magnétique varie de manière suffisamment progressive, ce que l’on appelle l’invariant adiabatique — le moment magnétique de la particule — est conservé. Lorsque la particule se déplace vers une région où le champ magnétique est plus intense, l’énergie de son mouvement de rotation autour de la ligne de champ doit augmenter afin de conserver ce moment magnétique.

Comme l’énergie cinétique totale de la particule reste pratiquement constante dans ce cas, l’augmentation de l’énergie transversale se fait au détriment de l’énergie associée au mouvement le long du champ magnétique. La vitesse longitudinale de la particule diminue progressivement et peut finir par devenir nulle. La particule commence alors à se déplacer dans la direction opposée.

Ainsi, les régions où le champ magnétique est renforcé aux extrémités du dispositif agissent comme des miroirs magnétiques, renvoyant une part importante des particules vers la région centrale. Les particules effectuent de nombreux allers-retours entre ces deux miroirs, ce qui permet de maintenir le plasma confiné dans un piège magnétique ouvert.

Autrement dit, lorsqu’une particule pénètre dans une région où le champ magnétique est intense, une partie de son énergie cinétique est « transférée » vers son mouvement de rotation autour de la ligne de champ. Si ce transfert est suffisant, la particule s’arrête puis repart dans la direction opposée, un peu comme une balle rebondissant contre une paroi magnétique invisible. C’est précisément cet effet qui constitue le principe de fonctionnement d’un miroir magnétique.

Le principal avantage de cette configuration réside dans sa simplicité. Le système magnétique repose sur une géométrie linéaire à laquelle les systèmes de chauffage, de diagnostic et d’extraction d’énergie peuvent être facilement raccordés. Cependant, un piège à miroirs simple présente une difficulté majeure : certaines particules possèdent toujours une vitesse suffisamment élevée le long du champ magnétique pour s’échapper progressivement par les extrémités du dispositif. En raison de ces pertes, le temps de confinement du plasma est insuffisant pour permettre la réalisation d’un réacteur à fusion efficace.

De tels pièges ont été proposés indépendamment aux États-Unis par Richard Post et en Union soviétique par Gersh Budker.

D’un piège simple à un piège tandem

Au milieu des années 1970, il était devenu évident qu’un miroir magnétique conventionnel aurait peu de chances d’atteindre les paramètres nécessaires à un réacteur à fusion industriel. C’est à cette époque qu’est apparu le concept de miroir tandem (ambipolaire).

Au lieu d’un système à miroir unique, l’idée consistait à utiliser trois régions : une longue chambre centrale destinée au plasma de fusion principal et deux sections à miroirs spécifiques situées à ses extrémités. Dans ces sections terminales, un plasma plus chaud et plus dense était créé afin de former des barrières de potentiel électrostatique. Ces barrières limitaient davantage la fuite des particules hors de la région centrale et augmentaient considérablement le temps de confinement.

Le concept du miroir tandem a été proposé en 1975 par une équipe dirigée par Gennady Dimov à l’Institut Budker de physique nucléaire de la branche sibérienne de l’Académie des sciences de l’URSS à Novossibirsk et, indépendamment, en 1976 par Kenneth Fowler, David Baldwin et Grant Logan au Lawrence Livermore National Laboratory, aux États-Unis.

Les miroirs tandem ont suscité un intérêt considérable à la fin des années 1970 et au début des années 1980. Aux États-Unis, le TMX (Tandem Mirror Experiment) a été construit pour tester cette approche et a confirmé la faisabilité des principes fondamentaux du concept.

Bien que le programme mondial de recherche sur la fusion se soit ensuite principalement orienté vers les tokamaks, les recherches sur les pièges ouverts ne se sont pas arrêtées. Leur conception simple, leur facilité de maintenance et leur potentiel pour la création de réacteurs compacts font aujourd’hui des miroirs magnétiques l’une des pistes les plus prometteuses dans le domaine de l’énergie de fusion. Les projets modernes s’appuient sur de nouvelles méthodes de stabilisation et de confinement du plasma, tout en prolongeant les idées développées par les pionniers de ce domaine il y a un demi-siècle.

03 · La voie hybride

Fusion-fission

Généralement, lorsqu’on parle d’énergie de fusion, on fait référence à des réacteurs dans lesquels l’énergie est produite directement par la fusion de noyaux légers. Il existe toutefois une autre approche : les réacteurs hybrides fusion-fission, qui combinent les technologies de fusion et de fission.

L’idée d’un tel réacteur est d’utiliser le plasma de fusion non pas comme source principale d’énergie, mais comme une puissante source de neutrons. Dans la réaction de fusion la plus prometteuse, entre le deutérium et le tritium, une particule alpha et un neutron rapide d’une énergie d’environ 14 MeV sont produits. Ces neutrons possèdent une énergie nettement supérieure à celle des neutrons présents dans les réacteurs nucléaires conventionnels.

Une enveloppe spéciale, appelée blanket, contenant des matériaux fissiles ou fertiles entoure l’installation de fusion. En pénétrant dans ce blanket, les neutrons issus de la fusion déclenchent des réactions nucléaires. Selon la conception du réacteur, ils peuvent soit provoquer la fission de noyaux lourds, tels que l’uranium ou le plutonium, soit transformer des isotopes non fissiles, comme l’uranium 238 ou le thorium 232, en nouveau combustible nucléaire.

Ainsi, la partie thermonucléaire du réacteur agit comme une sorte d’« amplificateur de neutrons », tandis que l’essentiel de l’énergie peut être produit par les réactions de fission.

Le principal avantage de cette configuration réside dans le fait que les exigences imposées au plasma thermonucléaire sont nettement moins contraignantes que dans le cas d’un réacteur à fusion pure. Pour produire de l’électricité, il n’est pas nécessaire d’atteindre un régime dans lequel la fusion assure à elle seule le chauffage du plasma. Il suffit de maintenir un flux constant de neutrons, qui déclenche ensuite les processus de fission, beaucoup plus énergétiques, dans le blanket environnant.

C’est pourquoi de nombreux experts considèrent les réacteurs hybrides comme une étape intermédiaire possible entre l’énergie nucléaire actuelle et les futures centrales à fusion. Alors que la création d’un réacteur à fusion entièrement auto-entretenu nécessite des conditions de plasma extrêmes et des temps de confinement très longs, un système hybride peut fonctionner avec des paramètres moins exigeants.

Un autre avantage important concerne la gestion des déchets nucléaires. Les neutrons rapides issus de la fusion peuvent provoquer efficacement la fission de certains isotopes radioactifs à longue durée de vie qui sont difficilement « brûlés » dans les réacteurs conventionnels. Les systèmes hybrides sont donc envisagés comme une solution potentielle pour réduire le volume et la radiotoxicité des déchets nucléaires.

Par ailleurs, le réacteur hybride reste un système sous-critique. Contrairement à un réacteur nucléaire conventionnel, dans lequel la réaction en chaîne s’auto-entretient, son fonctionnement dépend ici d’un flux externe de neutrons provenant de la source de fusion. Si le système de fusion est arrêté, le flux de neutrons disparaît rapidement et les réactions de fission cessent. Cette caractéristique apporte un niveau de sécurité supplémentaire.

Malgré l’intérêt du concept, le développement de réacteurs hybrides fusion-fission reste un défi majeur sur le plan de l’ingénierie. Il faut simultanément résoudre les problématiques liées au confinement du plasma chaud, à la protection des matériaux structurels contre un puissant flux de neutrons rapides, à l’évacuation de la chaleur et à la production de tritium nécessaire comme combustible de fusion. Néanmoins, l’intérêt pour les systèmes hybrides se maintient depuis plusieurs décennies, car ils pourraient constituer l’une des voies les plus réalistes pour mettre les technologies de fusion en pratique avant même l’apparition de centrales à fusion à grande échelle.