Fusion nucléaire : des physiciens trouvent un raccourci pour atteindre l'allumage en consommant moins d'énergie

La fusion nucléaire reproduit le mécanisme interne du Soleil. Des noyaux atomiques légers, généralement du deutérium et du tritium, fusionnent à des températures extrêmement élevées, libérant ainsi des quantités gigantesques d'énergie, sans produire de déchets, et avec très peu d'émissions de CO₂. L'objectif ultime est d'atteindre le seuil d'ignition, ou d'allumage en français, lorsque le plasma produit suffisamment de chaleur pour maintenir par lui-même les réactions de fusion.

Dans l'étude « Generalized Lawson-Cordey-Mills Accessibility of Fusion Ignition », publiée dans Physical Review Letters, une équipe de chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) propose de repenser la manière de parvenir à ce seuil en consommant beaucoup moins d'énergie.

Chauffer d'abord pour comprimer ensuite

Concrètement, pour provoquer la fusion, il faut atteindre une température comprise entre 100 et 150 millions de degrés Celsius au sein des réacteurs. Pour y parvenir, la méthode traditionnelle consiste à confiner le plasma brûlant avec de puissants champs magnétiques, pour augmenter ensuite sa densité avant de le chauffer davantage.

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À l'inverse, les chercheurs de Princeton suggèrent d'inverser cet ordre en chauffant d'abord le plasma, puis augmenter progressivement sa densité. Cela permet d'arriver au même résultat en utilisant beaucoup moins d'énergie.

Pour identifier ce raccourci, l'équipe a revisité le célèbre critère de Lawson, formulé dans les années 1950, qui définit les conditions de température, de densité et de confinement nécessaires à une fusion rentable. Afin de gagner en efficacité, les chercheurs ont enrichi ce modèle en intégrant simultanément quatre phénomènes qui compliquent la fusion nucléaire, à savoir l'accumulation de cendres d'hélium, les impuretés provenant des parois du réacteur, les pertes par rayonnement synchrotron et les fuites de chaleur.

Le tungstène, nouvel obstacle à la fusion nucléaire

L'étude livre également un avertissement majeur. Le tungstène, métal choisi pour résister aux températures extrêmes que subissent les parois des réacteurs, pourrait devenir un frein à l'allumage. D'après les calculs des chercheurs, il suffit d'une infime contamination, de l'ordre d'un atome de tungstène pour 10 000 particules de plasma, pour doubler la pression nécessaire pour déclencher la fusion.

C'est un point important car plusieurs réacteurs de nouvelle génération seront équipés de parois en tungstène. Les auteurs proposent des parades, notamment un revêtement interne de lithium liquide pour empêcher le tungstène de migrer dans le plasma.

Il faudra cependant encore attendre de nombreuses années pour que les centrales à fusion remplacent les réacteurs actuels, notamment parce que les résultats obtenus par les chercheurs reposent sur un modèle théorique, et non sur une démonstration expérimentale.