Bonne nouvelle pour les fans de fusion : un phénomène qui aurait pu entraver les efforts visant à produire de l’énergie grâce à la fusion nucléaire pourrait en réalité être bénéfique.
Dans les simulations informatiques de deux réacteurs à fusion prévus, les produits énergétiques de la fusion appelés particules alpha ont contribué à dissiper les turbulences à petite échelle, de minuscules tourbillons de particules qui autrement auraient sapé la chaleur du centre du réacteur, dégradant ainsi ses performances. Le résultat, rapporté dans un article soumis le 11 mai à arXiv.org, s'ajoute à un nombre croissant de recherches suggérant que les particules alpha affecteront la turbulence de manière à améliorer les performances du réacteur plutôt qu'à les détériorer, comme on le craignait auparavant.
La fusion est le processus qui alimente le soleil : deux noyaux atomiques fusionnent en un seul, libérant de l'énergie. Si elle pouvait être exploitée sur Terre, la fusion pourrait produire de l’énergie sans les émissions de carbone des combustibles fossiles ni les déchets radioactifs à vie longue produits par les réacteurs nucléaires basés sur la fission, la division des noyaux atomiques.
Plusieurs entreprises travaillent à la construction de réacteurs à fusion commercialement viables. L’intérêt pour cette technologie augmente : le 9 juin, le ministère américain de l’Énergie a publié une feuille de route pour l’énergie de fusion pour la décennie à venir. Mais aucun réacteur n’a encore créé les conditions dans lesquelles la fusion peut prospérer, et des incertitudes tourbillonnent autour de la physique.
L’une de ces incertitudes concerne les particules alpha elles-mêmes. Dans les réacteurs à fusion, les champs magnétiques maintiennent un nuage de particules chargées, appelé plasma, confiné dans un faisceau serré et très chaud. Dans ce plasma, les noyaux d’hydrogène fusionnent pour produire des particules alpha – des noyaux d’hélium chargés positivement. Le maintien du confinement du plasma est crucial pour la fusion, mais il n'était pas clair si les particules alpha seraient utiles ou nuisibles.
L’idée selon laquelle les particules alpha pourraient réguler les turbulences et améliorer les performances de fusion est envisagée depuis longtemps, mais sans preuve claire. Aujourd'hui, des expériences et des simulations rendent ce processus plus clair, explique le physicien des plasmas William Heidbrink de l'Université de Californie à Irvine, qui n'a pas participé à la recherche. « Peut-être que cette chose, qui semble magique et fantaisiste, pourrait vraiment fonctionner de manière positive. »
Les particules alpha sont des acteurs clés des réacteurs à fusion. Ils transportent de l’énergie qui est déversée dans le plasma environnant et le réchauffe. Une fois qu'un réacteur démarre réellement, il devrait devenir autonome : les particules alpha produites par les réactions de fusion chauffent le plasma, maintenant ainsi les conditions propices à une fusion accrue.
« Si vous ne savez pas comment les alphas se comporteront, il n'y a aucun moyen de fabriquer un réacteur économiquement viable », déclare Jacobo Varela, physicien des plasmas de l'Université du Texas à Austin, qui n'a pas participé à la recherche. « Dans un réacteur, tout tourne autour des alphas et de leur comportement. »
Pour la nouvelle étude, le physicien des plasmas Alessandro Di Siena et ses collègues ont simulé deux réacteurs actuellement en construction : ITER, un projet de recherche international dans le sud de la France, et SPARC à Devens, Massachusetts, conçu par Commonwealth Fusion Systems, qui a en partie financé l'étude. Les deux sont des dispositifs en forme de beignet appelés tokamaks qui confinent le plasma avec de puissants champs magnétiques.
Dans les simulations, les particules alpha ont déclenché des flux de plasma qui ont brisé les turbulences à petite échelle, gardant le plasma plus chaud et mieux confiné. Cela a produit davantage de fusion et encore plus de particules alpha. « Ce que nous constatons, c'est que vous pouvez entrer dans une sorte de boucle de rétroaction positive », explique Di Siena, de l'Institut Max Planck de physique des plasmas à Garching, en Allemagne. Lorsque cet effet a été inclus, l’échauffement des particules alpha a augmenté jusqu’à 25 % dans SPARC et jusqu’à 18 % dans ITER.
Les preuves expérimentales vont dans le même sens. Bien que les tokamaks existants ne puissent pas produire les conditions exactes nécessaires à un réacteur à fusion commercialement utile, des expériences ont suggéré que des particules chargées énergétiques telles que les particules alpha pourraient être bénéfiques pour le confinement – y compris une étude réalisée en 2024 au Joint European Torus en Angleterre, actuellement en cours de déclassement. Et une étude réalisée en 2025 au tokamak DIII-D à San Diego a révélé des effets de turbulence similaires à ceux de la nouvelle simulation.
Il existe encore des incertitudes dans ces types de simulations, notamment sur l’augmentation prévue du chauffage pouvant atteindre 25 pour cent. Ainsi, en ce qui concerne les chiffres précis, « je les prendrais avec un grain de sel », déclare Phil Snyder, vice-président de la physique des plasmas chez Commonwealth Fusion Systems. Mais c'est la tendance générale qui est importante, dit-il. Lorsque l’effet des alphas sur la turbulence est inclus, « vous pouvez finir par produire beaucoup plus de puissance de fusion que vous ne l’auriez prédit si vous n’aviez pas inclus cet effet ».