La Chine atteint une densité de plasma jamais enregistrée auparavant dans un réacteur à fusion

Une avancée majeure réalisée au sein du réacteur EAST

Une expérience de fusion menée en Chine a réussi à maintenir un plasma chaud stable tout en y injectant une quantité de combustible bien supérieure aux normes de risque habituelles. Cette réussite marque la rupture d’un plafond de densité établi de longue date dans le domaine des réacteurs tokamaks. L’étude détaille comment cette barrière a été surmontée et pourquoi le fait de pousser le plasma vers des densités plus élevées pourrait rapprocher la fusion magnétique d’une production d’énergie durable.

Le document décrit un dispositif de fusion entièrement supraconducteur en Chine, capable de maintenir la stabilité du plasma alors que sa densité dépassait les anciennes limites. En pilotant précisément les paramètres de démarrage, le professeur Zhu Ping de l’Université des sciences et technologies de Huazhong (HUST) a conduit le plasma vers une densité accrue sans provoquer d’effondrement. Son équipe a utilisé le tokamak expérimental supraconducteur avancé, connu sous l’acronyme EAST.

Grâce à ces manipulations, l’équipe a atteint des niveaux de densité représentant 1,3 à 1,65 fois la limite habituelle. Bien que les futurs réacteurs puissent potentiellement copier ce contrôle initial, ils devront toujours éviter les interruptions soudaines qui endommagent le matériel. Cette performance au sein de la machine EAST démontre une maîtrise technique significative des conditions opératoires extrêmes.

L’enjeu crucial de la densité du plasma et la limite de Greenwald

L’augmentation de la quantité de combustible dans le plasma entraîne une hausse de la densité du plasma, qui correspond au nombre de particules présentes dans un espace donné. À une densité plus élevée, les ions entrent en collision plus fréquemment. Chaque collision offre une chance supplémentaire de fusionner et de libérer de l’énergie. Cependant, maintenir ce carburant à une température suffisamment élevée reste une tâche ardue. C’est pourquoi les chercheurs effectuent généralement un arbitrage entre la densité et la température pour préserver la stabilité des plasmas.

Lorsqu’un dispositif parvient à maintenir la densité sans s’arrêter, il permet aux systèmes de chauffage de gagner du temps pour pousser vers l’ignition de la fusion, un état d’auto-chauffage alimenté par la puissance de la fusion elle-même. La plupart des machines à fusion magnétique sont des tokamaks, des chambres en forme d’anneau où des aimants confinent le plasma dans une boucle. Dans de nombreux tokamaks, une densité trop élevée refroidit le bord du plasma, ce qui peut provoquer un contact brutal avec la paroi et mettre fin à la réaction.

Les opérateurs utilisent souvent la limite de densité de Greenwald, une règle empirique liée au courant du plasma, comme ligne d’avertissement. Le franchissement de cette ligne a longtemps contraint les ingénieurs à accepter une densité de combustible plus faible, ce qui ralentit les progrès vers une énergie de fusion pratique.

Une stratégie de démarrage inspirée par une théorie française

Une idée plus récente attribue le plafond de densité aux interactions plasma-paroi, un contact qui arrache des atomes à la surface de la chambre. Lorsque les parois libèrent ces atomes, le plasma peut irradier de l’énergie sous forme de lumière, ce qui rend le maintien de la chaleur plus difficile. Des chercheurs français ont proposé un concept appelé auto-organisation plasma-paroi, ou PWSO (plasma-wall self-organization), pour expliquer l’influence réciproque entre le plasma et les parois internes de la machine. Selon cette perspective, l’ajustement précoce des conditions des parois peut guider le plasma vers un état où le plafond de densité habituel ne limite plus la quantité de combustible qu’il peut contenir.

Au lieu d’attendre que le plasma soit établi, l’équipe du réacteur EAST s’est concentrée sur la phase fragile du démarrage. Ils ont ajouté un chauffage par résonance cyclotronique électronique (ECRH), utilisant des micro-ondes pour chauffer rapidement les électrons, et l’ont maintenu activé pendant le démarrage. Une pression de gaz initiale élevée a également joué un rôle déterminant, car le combustible neutre supplémentaire au début a façonné le contact plasma-paroi avant que les températures ne s’envolent.

Commencer avec ce mélange spécifique a permis à la décharge de grimper vers une densité plus élevée par la suite, sans nécessiter de correctifs d’urgence après l’apparition de problèmes. Cette méthode repose donc sur une anticipation des interactions physiques dès les premières millisecondes de l’opération.

Impact sur les parois en tungstène et réduction des impuretés

L’utilisation de l’ECRH et du gaz supplémentaire a modifié la réponse de la paroi, réduisant les impuretés qui s’accumulent habituellement à mesure que la densité augmente. Moins de matière provenant des parois a pénétré dans le plasma, ce qui a limité la perte d’énergie sous forme de rayonnement, permettant au cœur de rester plus chaud plus longtemps. Près du divertor, la partie du réacteur qui gère l’excès de chaleur, les températures ont chuté et l’état de haute densité est resté stable. Ce bord plus froid a réduit le stress sur les surfaces internes de la machine, mais seulement tant que les opérateurs maintenaient un contrôle minutieux du plasma.

Le réacteur EAST utilise des surfaces en tungstène, et le plasma réagit différemment à ce métal lourd lorsqu’il frappe la paroi. Lorsque des particules énergétiques heurtent le tungstène, elles peuvent projeter de minuscules quantités de métal dans le plasma, modifiant sa propreté et sa stabilité. L’état des parois s’est avéré crucial, car des réglages identiques ont parfois conduit à des résultats différents après que des essais précédents eurent altéré la surface.

Cette sensibilité suggère que les opérateurs devront procéder à une préparation minutieuse et cohérente des parois avant que d’autres machines puissent reproduire le même résultat de manière fiable. La gestion des matériaux de surface devient ainsi une composante aussi essentielle que le contrôle magnétique.

Vers une application sur les futurs réacteurs à fusion

Atteindre une densité plus élevée en contrôlant soigneusement la phase de démarrage pourrait se traduire sur d’autres réacteurs, puisque chaque tokamak doit passer par ce même début fragile. Dans un plasma brûlant, où les réactions de fusion fournissent la majeure partie du chauffage, une densité plus élevée peut augmenter la production d’énergie sans exiger des gains de température extrêmes. Au lieu d’ajouter des pastilles ou d’autres matériaux pour augmenter le combustible, cette méthode s’est concentrée sur la gestion des conditions des parois et l’utilisation de l’ECRH pendant le démarrage.

Si d’autres réacteurs parviennent au même état stable de haute densité, les concepteurs pourraient se rapprocher de l’ignition tout en maintenant un fort confinement du plasma. Concernant ces perspectives, le professeur Zhu a déclaré : « Les résultats suggèrent une voie pratique et évolutive pour étendre les limites de densité dans les tokamaks et les dispositifs de fusion à plasma brûlant de prochaine génération ». Cette approche offre une alternative aux méthodes traditionnelles d’injection de combustible.

En remodelant le démarrage et le comportement des parois, les résultats d’EAST montrent une voie crédible pour augmenter la densité sans déclencher l’effondrement habituel. Cela ouvre des perspectives pour l’optimisation des futures centrales à fusion.

Prochaines étapes et validation scientifique

Tester cette idée en fonctionnement à haut confinement sur EAST montrera si le comportement sans limite de densité survit lorsque le plasma stocke plus d’énergie. Une énergie plus élevée rend les interruptions plus sévères, l’équipe aura donc besoin d’un contrôle précis du gaz, de la puissance ECRH et des conditions des parois. Un court article a décrit les scientifiques de HUST visant à étendre l’approche sans limite de densité aux dispositifs de nouvelle génération.

Prouver la méthode dans des modes de fonctionnement plus difficiles fixerait des objectifs de conception plus clairs, mais cela nécessitera encore un contrôle minutieux et de la répétition. La validation de ces hypothèses est essentielle pour la viabilité industrielle de la fusion nucléaire.

L’étude complète détaillant ces travaux et leurs implications techniques est publiée dans la revue scientifique Science Advances.

Selon la source : earth.com

Créé par des humains, assisté par IA.