mardi 27 octobre 2015

La fusion nucléaire bientôt domptée par des physiciens allemands ?

Son nom résonne comme celui d’un astre lointain : Wendelstein 7-X (ou W7-X), mais il s’agit d’une machine infernale, une machine qui pourrait bien un jour entrer dans l’histoire comme l’une des rares à avoir reproduit sur Terre l’énergie des étoiles.



Quand on parle de fusion nucléaire, on pense immédiatement au réacteur expérimental international ITER actuellement en cours de construction à Cadarache  dans le sud de la France, mais on oublie parfois qu’il existe d’autres machines en cours de fonctionnement ou en construction qui sont dévolues elles aussi à la mise au point de l’énergie potentiellement la plus abondante, intense et décarbonée : la fusion thermonucléaire, celle-là même qui fait briller les étoiles.
Le stellarator W7-X (Max Planck Institut für Plasmaphysik)
W7-X est un stellarator, contrairement à ITER qui est un tokamak. Sous ces noms un peu barbares se cachent deux conceptions assez différentes de ces machines. Le stellarator a été inventé au début des années cinquante par un astrophysicien américain, Lyman Spitzer, qui avait eu l’idée de reproduire en laboratoire à l’université de Princeton la fusion nucléaire du cœur des étoiles. Par parenthèse, c’est à Lyman Spitzer que l’on doit également l’idée d’envoyer un télescope de grand diamètre en orbite, qui deviendra un peu plus tard le télescope Hubble…

La quête de la fusion nucléaire était un des nombreux champs de bataille de la guerre froide et du côté soviétique, les physiciens proposèrent leur propre machine, baptisée Tokamak, dont la première machine fut développée à l’Institut Kurchatov de Moscou. Le concept à la base de ces réacteurs d’un nouveau type est similaire : produire un plasma d’isotopes de l’hydrogène (notamment du deutérium et du tritium) et faire en sorte de le chauffer à une température telle que l’énergie cinétique des noyaux d’atomes soit suffisante pour vaincre la barrière coulombienne et permettre leur fusion nucléaire. La fusion de ces noyaux a le bon goût d’être très exothermique, libérant une grande quantité d’énergie, à l’instar de la fission nucléaire, mais en ne produisant pas de déchets nucléaires dans cette réaction (des déchets sont tout de même produits mais secondairement via l’activation neutronique des matériaux du réacteur et avec des périodes radioactives sans commune mesure).

Lyman Spitzer et son stellarator A
(Princeton Plasma Physics Laboratory)
La grosse différence entre un stellarator et un tokamak vient des champs magnétiques utilisés. Car pour que le plasma soit chauffé à une température de l’ordre de 100 millions de degrés (dix fois plus qu’au centre du soleil, ce qui est rendu nécessaire car on ne peut pas reproduire la même densité que celle du soleil), le gaz ionisé et les électrons doivent être mis en mouvement et accélérés, et surtout maintenus dans ce mouvement. Et pour cela, rien de mieux qu’un champ magnétique. Oui, mais pas n’importe lequel, car cette matière chauffée à 100 ou 150 millions de degrés ne doit jamais entrer en contact avec la paroi de la machine…
Un tokamak ou un stellarator ont donc globalement la forme d’un tore, où circule sans fin le plasma. Mais alors que le design d’un tokamak tire parti du fait qu’un courant électronique est injecté à l’intérieur du tore pour chauffer le plasma et qui à son tour crée un champ magnétique pouvant être utilisé pour confiner le plasma à l’intérieur du tore,  le stellarator, lui, crée tous ces champs magnétiques depuis l’extérieur du tore. Il s’ensuit des différences cruciales entre les deux types de machines.
Les tokamaks se sont montrés les plus efficaces pour la production de plasmas stables, et ils ont supplanté peu à peu les stellarators depuis les années 1970 et 1980.  Mais le principe du tokamak possède quelques points faibles que le stellarator n’a pas, dont le principal est de devoir forcément fonctionner par impulsions successives (ce qui n’est pas très adapté dans une vision industrielle de la chose), et par ailleurs de pouvoir connaitre des brutales variations de confinement du plasma (on parle de disruption de plasma), pouvant mener au pire à un endommagement conséquent de la cavité de la machine.

Quelques irréductibles physiciens ont ainsi continué à étudier le stellarator, notamment les allemands de l’Institute for Plasma Physics (IPP) du Max Planck Institute à Greifswald (à 100 km au Nord de Berlin, sur la mer Baltique), qui ont construit W7-X patiemment depuis le milieu des années 1990, et vont le mettre en service en novembre 2015 après une année entière de tests de fonctionnement. Si les physiciens allemands ont mis aussi longtemps pour construire cette grosse machine, qui aura couté au final environ 1 milliard d’euros (ITER en coûte 16 milliards), c’est que W7-X ressemble à une machine infernale.
Pour atteindre la même efficacité dans la stabilité du plasma que celle obtenue avec un tokamak, le plasma dans un stellarator doit former une vrille en mouvement à l’intérieur du tore. Et la création de cette forme de mouvement de particules chargées impose l’application de champs magnétiques très complexes, ce qui implique derechef des formes de bobines et d’aimants encore  plus complexes. Ajoutez à cela que les bobines des électro-aimants sont faites de métaux supraconducteurs qui doivent être refroidis à une température proche du zéro absolu, et vous obtenez ce réacteur dont la conception n’a été rendue possible que grâce à l’aide de superordinateurs. Il est intéressant de noter au passage que ces réacteurs, que ce soit ITER ou W7-X font se côtoyer à quelques dizaines de centimètres seulement une fournaise à 100 millions de degrés et de l’hélium liquide à quelques degrés au-dessus du zéro absolu…
Le stellarator W7-X en cours de montage (Max Planck Institut für Plasmaphysik)
La conception et la fabrication d’un stellarator comme W7-X apparaissent plus délicates que ne peuvent l’être celles du tokamak ITER. Mais il s’est agit ici pour les physiciens de l’IPP de remédier aux défauts inhérents aux stellarators des premières générations et il semblerait que W7-X puisse atteindre aujourd’hui le même niveau de performances qu’un tokamak de même taille, ce qui pourrait rebattre pas mal de cartes pour l’avenir de la fusion nucléaire comme source d’énergie, une fusion nucléaire sans risques de disruption de plasma et pouvant fonctionner en continu…

Wendelstein 7-X va donc commencer ces opérations le mois prochain après près de 20 ans de conception/construction (et 9 ans de retard sur le planning initial...). ITER, quant à lui, est en cours de construction depuis cinq ans et devrait (à l’heure où j’écris ces lignes) voir son premier plasma fin 2020 et produire 10 fois plus d’énergie qu’il n’en consommera vers 2027…
La fusion nucléaire de l’après-ITER, au milieu du siècle, pourrait bien se rapprocher un peu plus des étoiles et de l’idée qu’avait eue Lyman Spitzer un siècle auparavant…


Référence :
Twisted logic
Daniel Clery
Science 23 October 2015: Vol. 350 no. 6259 pp. 369-371