Le tungstène accélère la fusion grâce à une nouvelle méthode

Une infime quantité de métal pourrait entraver sérieusement le développement de la fusion nucléaire pratique. Paradoxalement, il s’agit du tungstène, matériau privilégié par les ingénieurs pour protéger les réacteurs contre des chaleurs extrêmes.

Ce métal, réputé pour sa résistance et son point de fusion exceptionnel, est considéré comme idéal pour revêtir les futures chambres de confinement. Toutefois, selon de nouvelles études, même des traces de tungstène pénétrant dans le carburant surchauffé rendent l’obtention de la fusion nettement plus ardue.

Une concentration d’une partie pour 10 000 suffit à doubler approximativement la pression nécessaire pour atteindre l’ignition. Ce seuil marque le moment où la réaction produit assez de chaleur pour se maintenir sans apport énergétique extérieur.

Les limites du critère de Lawson

La fusion alimente le Soleil en forçant la coalescence de noyaux atomiques légers, libérant ainsi une énergie colossale. Sur Terre, les conceptions dominantes visent à combiner deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, à des températures dépassant 100 millions de degrés Celsius.

Dans ces conditions, le carburant devient un plasma, mélange bouillonnant de particules chargées électriquement. Le maintien de ce plasma chaud et confiné reste extrêmement complexe. Dans un tokamak, machine en forme d’anneau, des champs magnétiques puissants empêchent le contact avec les parois tandis que des systèmes externes élèvent la température jusqu’à amorcer les réactions.

Depuis des décennies, les scientifiques suivent le critère de Lawson, formulé dans les années 1950. Il définit la combinaison de température, de densité du carburant et de confinement énergétique requise pour une auto-soutenabilité. Cependant, traiter ce critère comme un simple seuil ignore souvent les méthodes les plus efficientes pour y parvenir, car le plasma réel présente bien plus de désordres que les modèles théoriques ne le suggèrent.

L’impact dévastateur des impuretés

Les physiciens Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono et Jonathan Menard du Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL), affilié au département américain de l’Énergie, ont élaboré un cadre mathématique intégrant plusieurs complications habituellement traitées séparément. Ces facteurs incluent les cendres d’hélium accumulées lors de la consommation du carburant, les impuretés issues des parois, les radiations émises par les electrons sous champ magnétique et les fuites thermiques.

Chacun de ces éléments complique l’ignition. Le tungstène illustre particulièrement ce problème. Bien qu’il soit un candidat de premier ordre pour les surfaces internes grâce à sa capacité à résister aux bombardements intenses, les particules arrachées aux parois contaminent le plasma. Une fois à l’intérieur, le tungstène vole de l’énergie au plasma via l’émission de rayonnements. En raison de son numéro atomique élevé, même de faibles concentrations produisent des effets substantiels.

Les calculs indiquent qu’une contamination de 0,01 % peut doubler la pression de plasma requise. Dans une machine à confinement magnétique, cette augmentation accroît le risque d’instabilités. Sous certaines conditions, le modèle suggère que la pression nécessaire excéderait celle que le plasma peut supporter de manière stable.

« Quand vous omettez ces effets, vous affirmez que la conception fonctionnera correctement », a expliqué Ono dans un communiqué du PPPL. « Lorsque vous les incluez, la situation change radicalement. » Les travaux notent également que des champs magnétiques très intenses, parfois vus comme une voie vers des réacteurs compacts, introduisent des pertes radiatives supplémentaires qui compliquent l’atteinte de l’ignition.

Inverser la séquence opérationnelle

La découverte la plus prometteuse concerne la stratégie d’atteinte de l’ignition. Imaginer la traversée d’une chaîne de montagnes : on peut franchir le sommet le plus haut en dépensant une énergie considérable, ou trouver un col plus bas nécessitant moins d’effort. Le nouveau modèle propose une analogie similaire pour les réacteurs.

Certaines stratégies proposées augmentent la densité du plasma avant d’élever sa température. Or, les calculs de l’équipe du PPPL suggèrent qu’inverser cet ordre offre une voie moins exigeante : chauffer le plasma en premier, puis ajouter du carburant pour augmenter la densité. Le cadre mathématique identifie une région nommée « selle de Cordey », correspondant à un passage inférieur entre les conditions du plasma chauffé extérieurement et celles de la fusion auto-entretenue.

Dans le cas idéal, ce passage se situe à un gain de fusion d’environ cinq, signifiant que le plasma produit cinq fois plus de puissance de fusion que la puissance de chauffage externe fournie. Ce n’est pas l’ignition proprement dite, mais cela constitue une étape intermédiaire utile. Comprendre ces trajectoires permettrait aux ingénieurs d’éviter des conditions opérationnelles inutilement contraignantes lors de la conception des futurs réacteurs.

Pistes concrètes et défis persistants

Le nouveau cadre évoque aussi des solutions potentielles au problème du tungstène. L’une consiste à recouvrir les parois du réacteur de lithium liquide, ce qui pourrait prévenir la contamination tout en améliorant la rétention thermique du plasma. Une autre approche implique l’utilisation de carburant spin-polarisé, où les noyaux sont alignés pour accroître la probabilité de réactions de fusion.

Fait intrigant, les chercheurs ont constaté que certaines pertes d’énergie, qui rendent l’ignition plus difficile, pourraient aider à prévenir les augmentations excessives de température, facilitant ainsi le contrôle de la fusion soutenue. Néanmoins, rien ne garantit qu’un réacteur commercial soit soudainement à portée de main.

Ces recherches restent théoriques ; l’équipe n’a pas encore démontré expérimentalement l’approche privilégiant le chauffage initial. Des simulations informatiques sont prévues pour approfondir l’analyse. Il existe également une distinction fondamentale entre atteindre l’ignition et produire de l’électricité utile. En décembre 2022, les scientifiques de la National Ignition Facility en Californie ont réussi l’ignition en utilisant des lasers puissants pour comprimer une cible minuscule. Cette expérience diffère toutefois fondamentalement du confinement magnétique soutenu envisagé pour les centrales tokamak et n’a pas généré d’électricité nette pour le réseau.

La fusion commerciale affronte encore des défis d’ingénierie redoutables, notamment la gestion des matériaux radioactifs créés par le bombardement neutronique, la sécurisation de suffisamment de tritium et le développement de systèmes fiables sur de longues périodes. L’étude du PPPL ne résout pas ces obstacles. Elle offre plutôt une méthode plus réaliste pour évaluer comment les réacteurs pourraient atteindre les conditions nécessaires à leur fonctionnement.

Alors que la construction d’un seul réacteur expérimental coûte des milliards, identifier les voies vouées à l’échec avant tentative représente une valeur inestimable. Comme le résume Ono : « Les expériences de fusion coûtent très cher, et vous ne voulez pas commettre des erreurs que vous auriez pu détecter auparavant. » Ces travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.