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R&D sur la fusion nucléaire en 2024 : entrer dans les détails

Pour ceux qui ont suivi la recherche sur la fusion nucléaire au cours des dernières décennies, au-delà des articles et des extraits sonores des médias, il est probablement clair à quel point les progrès ont été réalisés et combien de défis restent à relever. Pourtant, comme peu de gens s'intéressent à la physique des plasmas, chaque mesure de progrès, comme le plus récemment par le tokamak sud-coréen KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), se heurte généralement à des déclarations dédaigneuses selon lesquelles la fusion nucléaire dure toujours un certain nombre de décennies. loin. Au-delà de cela, dans des reportages tels que l'article de Alerte scientifique À propos de cette réalisation de KSTAR, nous pouvons cependant constater que bon nombre de ces défis restants sont abordés.

Récemment, KSTAR a réussi à générer un plasma à 100 millions de degrés Celsius et à le maintenir pendant 48 secondes, une augmentation significative par rapport à son précédent record de 2021 de 30 secondes, en partie grâce aux nouveaux diverteurs installés. Ces diverteurs sont essentiels pour éliminer les impuretés du plasma, mais tout comme la paroi interne de la cuve du réacteur, ces matériaux face au plasma (PFM) supportent le poids du plasma très chaud et de toutes les instabilités du plasma, ainsi que le flux constant de neutrons. flux provenant des produits de fusion. KSTAR propose désormais des diverteurs en tungstène, qui sont devenus un choix de matériau populaire pour ce composant.

La recherche des PFM optimaux, ainsi que des modes de confinement du plasma et des méthodes permettant de supprimer les instabilités du plasma ne sont que quelques-uns des défis qui restent à parcourir avant que la fusion commerciale puisse commencer.

Mode de confinement élevé

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Le réacteur à fusion KSTAR.

Le régime de fonctionnement à confinement élevé (ou mode H) des tokamaks a été découvert pour la première fois en 1982 lors d'expériences avec le tokamak allemand ASDEX. Le mode H diffère du mode L nommé rétroactivement (pour faible confinement) en ce sens qu'il présente un bord de plasma beaucoup plus stable, en raison de mécanismes encore inconnus qui prennent effet lorsque le plasma est chauffé au-dessus d'un certain niveau.

Un problème avec le mode H réside cependant dans les instabilités magnétohydrodynamiques occasionnelles des bords (MHD), appelées modes localisés sur les bords (ELM). Celles-ci se produisent sous la forme de perturbations dans la barrière de bord par ailleurs stable en mode H, formant une explosion soudaine de plasma pouvant éjecter jusqu'à 20 % de l'énergie du plasma dans le PFM voisin. Cela provoque des dommages au mur et aux déflecteurs sous forme d'érosion (ablation) et constitue un sujet de recherche majeur au cours des dernières décennies, avec des méthodes de contrôle telles que les perturbations magnétiques résonantes (RMP) appliquées dès 2003. En 2011, KSTAR est devenu l'un des des tokamaks qui ont réussi à supprimer les ELM (type I) en utilisant perturbations magnétiques non axisymétriques.

En plus de causer des dommages au PFM, ces instabilités en mode H sont également problématiques dans la mesure où elles réduisent l'efficacité du réacteur, en raison de la chaleur et d'autres pertes qui doivent ensuite être compensées. Pourtant, le corollaire d’un bord aussi stable en mode H avec suppression ELM de type I est que l’élimination des impuretés et de la chaleur du plasma devient très difficile. C'est là que les ELM de type II, beaucoup plus petits, sont pertinents, car ils permettent de transporter les impuretés à travers la barrière périphérique sans menacer le PFM.

Cela a été simulé et testé expérimentalement dans le tokamak ASDEX Upgrade en 2022, avec les résultats de GF Harrer et al. Publié dans Lettres d'examen physique. Il est suggéré un régime de fonctionnement pour ITER et les réacteurs à fusion tokamak similaires dans lequel ces ELM de type II sont utilisés comme caractéristique fonctionnelle du plasma, tandis que les ELM de type I continueraient d'être supprimés. Quant à savoir si les RMP sont le moyen idéal pour supprimer les ELM de type I, cela reste également un sujet de recherche.

Densité de Greenwald

Au-delà du mode H et des ELM, les tokamaks doivent également faire face à ce que l'on appelle la limite de densité de Greenwald (GDL), du nom de Martin Greenwald, dont l'article de synthèse de 2002 (PDF) dans Physique des plasmas et fusion contrôlée vaut la peine d'être lu pour un résumé détaillé du sujet. La version courte est qu'elle concerne la densité du plasma, chaque réacteur à fusion ayant une limite inférieure et supérieure observable pour cette densité. Une fois la limite atteinte et dépassée dans un tokamak, la réaction passera du mode H au mode L, ainsi que d'autres effets négatifs. Il convient de noter que l’évolution de ces limites semble dépendre d’une grande variété de facteurs, bien au-delà de la simple taille du réacteur, comme la méthode de ravitaillement.

La limite de Greenwald est plus facilement trouvée avec les réacteurs à fusion stellaire, car ceux-ci ne présentent pas la même forte réponse négative au dépassement de cette limite. Au lieu de cela, ils montrent une limite douce, ou quench, qui voit la température du plasma diminuer. La limite de densité dans les stellarateurs s'est avérée significativement plus élevée (jusqu'au double) que dans les tokamaks de taille comparable, donnant aux premiers un avantage sur les tokamaks, ainsi qu'en termes de stabilité du plasma. Malgré cela, on pense que ces limitations des tokamaks peuvent être compensées, avec un article de 2024 de S. Ding et ses collègues dans Nature détaillant un régime plasmatique de tokamak à haute densité et à haut confinement dans le tokamak General Atomics DIII-D.

Je ne peux pas précipiter la science

Si vous demandez à un ingénieur combien de temps il faudra pour construire quelque chose, il pourra probablement vous donner une estimation assez précise, ainsi qu'une idée des matériaux et de la main d'œuvre nécessaires. Si vous demandez à un scientifique en physique des plasmas combien de temps il faudra pour construire un réacteur à fusion nucléaire ayant un gain d'énergie (Q) de 8 ou mieux, il vous donnera probablement un air pittoresque. Si vous avez de la chance, ils vous feront plaisir et vous feront découvrir le monde merveilleux des articles de recherche liés à la fusion nucléaire, en particulier ceux relatifs à la recherche liée à ITER.

Au cours du siècle qui a suivi la découverte de la fusion nucléaire, les scientifiques ont pensé à certains moments qu’ils étaient sur le point de s’attaquer à la fusion nucléaire sur Terre. La plus pertinente était la machine à pincer en Z dans les années 1950, époque où la solution semblait si proche. C'est également à ce moment-là que le monde passionnant de la physique des plasmas commence à être plus pleinement révélé au monde scientifique, avec les instabilités du plasma, les pertes de chaleur et la ruée vers la recherche de matériaux capables de supporter le flux de neutrons et l'exposition à la chaleur à l'intérieur de l'atmosphère d'alors. toute nouvelle conception de réacteur tokamak.

Des tokamaks plus grands fonctionneraient-ils mieux ? Ce n’était qu’une question parmi tant d’autres, alors même que la recherche fondamentale sur la physique des plasmas se poursuivait et que les tokamaks des instituts de recherche du monde entier subissaient une révision après l’autre sur la base des connaissances nouvellement acquises et des nouvelles orientations de la recherche. Sur les bords, les stellarateurs ont également continué à recevoir un peu d'amour, surtout une fois que les simulations informatiques sont devenues suffisamment puissantes pour déterminer une configuration de champ magnétique appropriée. Tout comme le plasma à l’intérieur de ces réacteurs à fusion expérimentaux, les progrès ont également continué.

Bien que des projets parallèles comme la fusion par confinement inertiel continuent de voler la vedette bien qu’ils soient tout sauf pratiques pour la production d’énergie, il est clair que nous sommes à des années-lumière de là où nous en étions avec la recherche sur la fusion nucléaire dans les années 1980 et 2000. Nous ne pouvons pas encore dire quand viendra le moment où le premier réacteur à fusion Q >8 sera mis en service, avec une production soutenue de tritium et toutes les autres commodités qui conviennent à un réacteur à fusion commercial, mais c'est pourquoi nous sommes toujours en phase de recherche et de développement. .

Cela prendra peut-être encore une décennie, voire deux. Peut-être aurons-nous un autre triste moment de pincement en Z où la physique nous lance une autre courbe et nous devrons soupirer, rassembler notre estime de soi brisée et retourner à la planche à dessin pour une nouvelle chance de relever le défi. C’est à la fois le frisson et la malédiction de la recherche et du développement fondamentaux, avec des récompenses potentielles souvent énormes, et une garantie absolument nulle d’en récolter aucune, autre que d’apprendre énormément en cours de route.

François Zipponi
François Zipponihttps://10-raisons.com/author/10raisons/
Je suis François Zipponi, éditorialiste pour le site 10-raisons.com. J'ai commencé ma carrière de journaliste en 2004, et j'ai travaillé pour plusieurs médias français, dont le Monde et Libération. En 2016, j'ai rejoint 10-raisons.com, un site innovant proposant des articles sous la forme « 10 raisons de... ». En tant qu'éditorialiste, je me suis engagé à fournir un contenu original et pertinent, abordant des sujets variés tels que la politique, l'économie, les sciences, l'histoire, etc. Je m'efforce de toujours traiter les sujets de façon objective et impartiale. Mes articles sont régulièrement partagés sur les réseaux sociaux et j'interviens dans des conférences et des tables rondes autour des thèmes abordés sur 10-raisons.com.
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