Le Swiss Plasma Center de l’EPFL est une force majeure dans la recherche sur la fusion nucléaire, utilisant un réacteur tokamak unique pour étudier le comportement du plasma. Leurs travaux visent à produire de l’électricité durable et sans carbone grâce à la fusion, éliminant ainsi les problèmes de déchets radioactifs à long terme. Crédit : EPFL
L’EPFL a mis en service un réacteur tokamak à configuration variable en 1992. Aujourd’hui, l’EPFL est un institut de recherche leader dans le domaine de la fusion nucléaire, avec pour objectif de reproduire sur Terre les réactions qui ont lieu dans les étoiles.
Bien avant la crise énergétique et les sonnettes d’alarme sur le changement climatique, l’EPFL recherchait déjà une source d’énergie propre, sûre et potentiellement inépuisable. L’École a ouvert le Laboratoire de physique des plasmas – aujourd’hui Centre Suisse des Plasmas – en 1961 et a mis en service un réacteur tokamak à configuration variable en 1992. Aujourd’hui, l’EPFL est un institut de recherche leader dans le domaine de la fusion nucléaire, avec pour objectif de reproduire sur Terre les réactions qui se produisent place dans les étoiles.
Fusion : alimenter les étoiles
La chaleur et la pression intenses à l’intérieur des étoiles, comme le Soleil, provoquent la fusion de paires d’atomes, en particulier d’atomes d’hydrogène. Lorsque ces noyaux légers fusionnent en un noyau plus lourd, une partie de la masse est perdue et convertie en une quantité massive d’énergie, selon la célèbre formule d’Einstein, E=mc.2. Ce processus de fusion alimente les étoiles et libère une quantité incroyable d’énergie dans l’univers.
Dans la chambre du TCV (tokamak à configuration variable) de l’EPFL. Crédit : EPFL / Alain Herzog
Les scientifiques sont déjà capables de produire des réactions de fusion nucléaire sur Terre. Le défi actuel auquel sont confrontés les chercheurs du monde entier est de maintenir ces réactions de fusion en continu et d’exploiter l’énergie libérée de manière efficace et contrôlée pour produire de l’électricité. À l’EPFL, les ingénieurs ont choisi d’étudier une méthode qui consiste à utiliser un réacteur à confinement magnétique en forme de tore, appelé tokamak. Dans cette approche, le deutérium gazeux, un isotope de l’hydrogène, est chauffé à 100 millions de degrés. Celsius pour le transformer en plasma et induisent des collisions hautement énergétiques entre les noyaux de deutérium. Les champs magnétiques du tokamak suspendent le plasma au milieu de la chambre à vide et loin de la paroi intérieure de l’appareil.
Le Swiss Plasma Center : leader européen de la recherche sur la fusion
Le Swiss Plasma Center, qui compte aujourd’hui environ 200 chercheurs et étudiants, a mis en service il y a 30 ans son propre tokamak à configuration variable. Grâce à sa conception unique, ce réacteur expérimental est devenu l’une des installations de recherche sur la fusion nucléaire les plus importantes d’Europe..
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« Nous avons construit le réacteur avant même qu’Internet n’existe, et son cœur est toujours le même », explique Basil Duval, scientifique principal travaillant sur les systèmes de mesure du tokamak. Il souligne que les recherches menées au Swiss Plasma Center sont connues au niveau international – en partie grâce à leur contribution au projet de réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER), mais aussi parce que leurs résultats sont précieux pour l’ensemble de la communauté de recherche sur la fusion nucléaire. . «Pour un pays de la taille de la Suisse, disposer d’une installation expérimentale de ce calibre est vraiment exceptionnel», déclare Duval.
Pour commémorer les 30 ans de son tokamak, la société Swiss Plasma accueillera en septembre des représentants du consortium EUROfusion. Ce consortium est à l’origine d’un certain nombre d’initiatives en matière de fusion nucléaire, notamment en faisant progresser les bases physiques d’ITER et en optimisant ses chances de succès via des expérimentations sur des installations telles que le tokamak TCV. Ambrogio Fasoli, directeur du Swiss Plasma Center, est également président d’EUROfusion et vient d’être nommé responsable du programme du consortium. «Nos travaux au Swiss Plasma Center au cours des 30 dernières années ont fourni des informations clés sur le comportement du plasma. Le TCV joue un rôle essentiel dans cette entreprise. Les récentes mises à niveau de son infrastructure ont élargi notre capacité à enquêter sur les problèmes clés d’ITER, de DEMO et des futurs réacteurs à fusion. Les défis à venir sont considérables, mais nous sommes bien placés pour apporter des contributions significatives au développement de l’énergie de fusion en tant qu’élément essentiel du futur mix énergétique mondial », déclare-t-il.
Un plasma à l’intérieur du tokamak TCV. Crédit : © Curdin Wüthrich/SPC/EPFL
L’approche tokamak unique de l’EPFL
Le tokamak de l’EPFL étant un réacteur à « configuration variable », les scientifiques peuvent l’utiliser pour observer comment les changements de configuration du plasma affectent les propriétés du plasma (comme la température et la qualité du confinement) et étudier de nouvelles configurations de plasma. Il peut également être utilisé pour évaluer différentes configurations de diverteurs, les dispositifs utilisés pour contrôler la libération d’énergie du cœur du réacteur. Leur rôle est essentiel pour pouvoir entretenir le plasma pendant de longues périodes sans endommager le réacteur, et les ingénieurs travaillent toujours à optimiser leur conception. Le Swiss Plasma Center s’est récemment associé à Google DeepMind pour développer une nouvelle méthode de contrôle magnétique des plasmas, basée sur l’apprentissage par renforcement profond, et l’a appliquée avec succès pour la première fois à des configurations de plasma réelles dans le tokamak TCV.
Comme tous les tokamaks, celui de l’EPFL comporte une chambre à vide où le gaz est transformé en plasma. Cette chambre est entourée de champs magnétiques toroïdaux (en forme de tore), créés par de grandes bobines magnétiques, qui empêchent le plasma de toucher la paroi intérieure de la chambre. De plus, il existe une colonne centrale avec des bobines ohmiques qui maintiennent la stabilité du plasma et un champ poloïdal qui façonne la configuration du plasma. L’ensemble du réacteur est équipé d’un système de chauffage utilisant des micro-ondes et l’injection de particules chaudes, complété par une gamme complète d’instruments mesurant la température, la densité, le rayonnement, les fluctuations de la configuration du plasma et d’autres paramètres vitaux.
Dans les futures centrales à fusion, la chaleur générée par les réactions de fusion au sein du plasma alimentera des turbines – similaires aux réacteurs à fission nucléaires actuels – et produira des quantités substantielles d’électricité de base fiable. Ce processus sera durable et décarboné, sans générer de déchets radioactifs de longue durée.
