Le combustible pour le plus grand réacteur de fusion au monde ITER est prêt à être testé

Un réacteur pionnier en Grande-Bretagne se prépare à lancer des tests pivots d’un mélange de combustibles qui alimentera à terme ITER – la plus grande expérience de fusion nucléaire au monde. La fusion nucléaire est le phénomène qui alimente le Soleil et, si les physiciens peuvent l’exploiter sur Terre, ce serait une source d’énergie presque illimitée.

En décembre, des chercheurs du Joint European Torus (JET) ont commencé à mener des expériences de fusion avec du tritium – un isotope rare et radioactif de l’hydrogène. L’installation est une maquette d’un dixième de volume du projet ITER de 22 milliards de dollars américains et a la même conception de «tokomak» en forme de beignet – l’approche la plus développée au monde en matière d’énergie de fusion. C’est la première fois depuis 1997 que des chercheurs font des expériences dans un tokamak avec une quantité significative de tritium.

En juin, le JET commencera à fusionner des quantités égales de tritium et de deutérium, un autre isotope de l’hydrogène. C’est ce mélange de carburant qu’ITER utilisera pour tenter de créer plus de puissance à partir d’une réaction de fusion que ce qui est mis en place – ce qui n’a jamais été démontré auparavant. Le réacteur devrait chauffer et confiner un plasma de deutérium et de tritium de telle sorte que la fusion des isotopes en hélium produise suffisamment de chaleur pour soutenir d’autres réactions de fusion.

«C’est très excitant maintenant d’arriver enfin au point où nous pouvons mettre en pratique ce que nous avons préparé toutes ces années», déclare Joelle Mailloux, qui codirige le programme scientifique du JET. «Nous sommes prêts pour cela.»

Tour d’essai

Les expériences de JET aideront les scientifiques à prédire le comportement du plasma dans le tokamak ITER et à élaborer les paramètres de fonctionnement de la méga-expérience. «C’est ce qui se rapproche le plus de la réalisation des conditions ITER dans les machines actuelles», déclare Tim Luce, scientifique en chef chez ITER, près de Cadarache en France. Les expériences sont l’aboutissement d’environ deux décennies de travail, dit Luce. ITER commencera ses opérations avec des réactions d’hydrogène de faible puissance en 2025. Mais à partir de 2035, il fonctionnera avec un mélange 50/50 de deutérium et de tritium.

ITER et JET, basés au Culham Center for Fusion Energy (CCFE) près d’Oxford, utilisent des champs magnétiques extrêmes pour confiner le plasma dans un anneau et le chauffer jusqu’à ce que la fusion se produise. Les températures en JET peuvent atteindre 100 millions de degrés, plusieurs fois plus chaudes que le noyau du Soleil.

Les dernières expériences de fusion de tokamak au monde avec du tritium ont également eu lieu au JET. L’objectif était alors d’atteindre la puissance de crête, et l’installation a réussi à atteindre un rapport record de puissance en sortie / puissance en entrée (connue sous le nom de valeur Q) de 0,67. Ce record tient toujours aujourd’hui; 1 serait le seuil de rentabilité. Mais cette année, l’objectif est de maintenir un niveau similaire de puissance de fusion pendant 5 secondes ou plus, de tirer le plus de données possible des expériences et de comprendre le comportement des plasmas plus durables.

Travailler avec le tritium pose des défis uniques – les chercheurs du JET ont passé plus de deux ans à réaménager des éléments de leur machine et à se préparer à manipuler les matières radioactives. L’isotope se désintègre rapidement, de sorte qu’il ne se produit qu’à l’état de traces dans la nature et est généralement fabriqué comme sous-produit dans les réacteurs à fission nucléaire; l’approvisionnement mondial n’est que de 20 kilogrammes.

Une partie du défi de la manipulation du tritium est que ses réactions avec le deutérium produisent des neutrons à une vitesse beaucoup plus élevée que les réactions au deutérium seul. Les réacteurs commerciaux capteront l’énergie de ces neutrons pour produire de l’électricité, mais dans le JET, les particules à haute énergie poivreront l’intérieur de la machine et endommageront les systèmes de diagnostic. Cela signifie que l’équipe du JET a dû déplacer des caméras et d’autres instruments derrière un blindage en béton, explique Ian Chapman, qui dirige le CCFE.

«Nous avons dû actualiser et renouveler tous nos processus», du stockage à la manutention, explique Chapman. Une fois que les expériences sur le tritium auront commencé, le bombardement neutronique rendra l’installation interne radioactive, elle deviendra donc une zone interdite pour les humains pendant 18 mois. Le personnel a donc dû s’habituer à un état d’esprit similaire à celui des ingénieurs qui envoient des engins dans l’espace: «Vous ne pouvez pas simplement entrer et réparer les choses, cela doit fonctionner du premier coup», dit Chapman.

Impulsions au tritium

La campagne de JET utilisera moins de 60 grammes de tritium, qu’il recyclera. Le carburant contenant une fraction de gramme de tritium sera pulsé dans le tokamak 3 à 14 fois par jour. Chacune de ces décharges sera une expérience individuelle avec des paramètres légèrement différents, et générera entre 3 et 10 secondes de données utiles, précise Mailloux. «Ce que nous recherchons, ce sont des informations physiques que nous pouvons utiliser pour valider notre compréhension, et ensuite nous pouvons les appliquer à la préparation de la future machine», dit-elle.

Certaines expériences n’utiliseront que du tritium; d’autres combineront le deutérium et le tritium dans des proportions égales. Les deux types d’expériences sont importants, car un objectif clé est de comprendre l’effet de la plus grande masse du tritium sur le comportement du plasma (le tritium a deux neutrons dans son noyau, alors que le deutérium en a un et l’hydrogène n’en a pas). Cela aidera à prédire l’impact de l’utilisation de différents isotopes dans ITER. La masse des isotopes influence les conditions – telles que le champ magnétique, le courant, le chauffage externe – nécessaires pour que le plasma atteigne un état crucial connu sous le nom de confinement. (Dans cet état, les particules les plus énergétiques restent dans le gaz ionisé, ce qui est important pour maintenir la température du plasma). «Nous voulons explorer cela et comprendre pourquoi», déclare Anne White, physicienne des plasmas au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge.

Une autre différence majeure par rapport aux expériences de 1997 est que le JET a été réaménagé de sorte que les matériaux internes qui protègent la machine contre les effets du bombardement thermique et neutronique et éliminent les impuretés du plasma correspondent à ceux de la conception d’ITER. Parce que ces matériaux pourraient irradier dans le plasma et le refroidir, il est essentiel de comprendre comment ils interagissent avec le processus de fusion.

La dernière génération de scientifiques de la fusion n’a jamais travaillé avec le tritium, ce qui rend d’autant plus important de faire les expériences, dit Chapman. «C’est un gros problème. Les gens regardent », ajoute Luce.