Tokamak et Stellarator

Le Défi

Comme établi précédemment, recréer la Fusion Nucléaire sur Terre présente de nombreux défis :

Créer un plasma thermonucléaire. L'absence des conditions physiques du Soleil sur Terre fait déjà de la création du plasma une tâche majeure. La Terre possède une constante gravitationnelle bien plus faible que celle du Soleil et, par conséquent, une pression bien plus basse. Ainsi, comme déjà mentionné, des températures beaucoup plus élevées sont nécessaires — de l'ordre de 100 millions à 200 millions de ºC — pour agiter suffisamment les particules. Cette première étape ne peut être atteinte que dans des chambres à ultra-vide, où l'absence d'impuretés évite la contamination et le refroidissement du plasma.

Le plasma doit être chauffé et confiné suffisamment longtemps. Pour qu'une opération de fusion devienne un jour une centrale, elle doit être économiquement viable. Pour cela, il faut que l'énergie générée par la fusion dépasse significativement l'énergie utilisée pour chauffer le plasma.

Autrement dit, en fin de compte, tous ces facteurs dépendent d'une forme de confinement du plasma. Il faut le maintenir stable, chaud et isolé des parois assez longtemps pour que la fusion se produise et génère plus d'énergie qu'elle n'en consomme.

Comment confiner un plasma

Aujourd'hui, il existe deux principales voies de recherche pour résoudre ce problème :

Confinement Magnétique (MCF) : utilisation de champs magnétiques intenses pour créer une « cage invisible » autour du plasma. Les particules chargées du plasma interagissent avec le champ et suivent un mouvement en spirale le long de ses lignes, sans toucher les parois. C'est l'approche des Tokamaks et des Stellarators, et le sujet de cette page.

Confinement Inertiel (ICF) : le plasma est rapidement comprimé et chauffé par des lasers, de sorte que les conditions de pression et de température nécessaires à la fusion sont atteintes avant que le combustible ne se désintègre. C'est l'approche du NIF (National Ignition Facility), aux États-Unis, le laboratoire qui a atteint pour la première fois le seuil de rentabilité scientifique en décembre 2022 — produisant plus d'énergie de fusion que l'énergie des lasers délivrée à la cible. Ce type de confinement sera traité sur une autre page.

Confinement Magnétique

Le plasma est un gaz ionisé, c'est-à-dire que ses particules portent une charge électrique. Grâce à cette propriété, les particules réagissent aux champs magnétiques.

Lorsqu'un champ magnétique intense est appliqué autour du plasma, les particules commencent à se déplacer de manière ordonnée, tournant en spirale le long des lignes du champ. C'est ce mouvement hélicoïdal (en forme de ressort) qui les empêche de s'échapper vers les parois du réacteur.

Le défi est de fermer ces lignes de champ sans créer de « pointes » par lesquelles les particules pourraient s'échapper. La solution est de plier le champ en forme toroïdale : un anneau fermé, en forme de beignet. Mais un tore simple ne suffit pas. Du côté intérieur de l'anneau, les bobines sont plus proches les unes des autres et le champ magnétique est plus intense que du côté extérieur — et les particules dans un champ non uniforme dérivent. Les électrons et les ions dérivent dans des directions opposées, séparant les charges et créant un champ électrique qui pousse le plasma hors de l'anneau.

La solution consiste à torsader les lignes de champ de manière hélicoïdale, faisant alterner chaque particule entre le côté intérieur et extérieur du tore. Ainsi, les dérives s'annulent et le plasma reste confiné. C'est précisément pour générer ce champ hélicoïdal que le Tokamak a été conçu.

Qu'est-ce qu'un Tokamak et Comment fonctionne-t-il

Le mot « tokamak » vient de l'acronyme russe « toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami » — chambre toroïdale avec bobines magnétiques. Le nom résume à lui seul le mécanisme.

Un tokamak est un réacteur expérimental à confinement magnétique : une chambre en forme de tore dans laquelle des champs magnétiques maintiennent le plasma stable, chaud et isolé des parois. Cela est rendu possible grâce à son champ magnétique hélicoïdal, généré par la combinaison de deux champs : le champ toroïdal, produit par les bobines externes entourant la chambre, et le champ poloïdal, généré par un courant électrique induit directement dans le plasma par un solénoïde central.

Les bobines du champ toroïdal ont une forme en « D », et non circulaire. Dans une configuration circulaire, le champ magnétique serait plus intense du côté interne de l'anneau — là où les bobines sont plus proches — et diminuerait avec la distance, générant des forces inégales. La forme en « D » distribue ces forces de manière uniforme, maintenant la bobine en état de tension pure.

La combinaison des deux champs tord les lignes de champ magnétique en hélice. Chaque particule alterne entre le côté interne et externe du tore, les dérives s'annulent et le plasma reste confiné. Mais confiner le plasma n'est que la moitié du problème ; l'autre moitié consiste à extraire l'énergie qu'il produit.

Comment le Tokamak Génère de l'Énergie

À l'intérieur du plasma confiné, des noyaux de deutérium et de tritium entrent en collision et fusionnent. Chaque réaction D-T produit deux sous-produits : une particule alpha (un noyau d'hélium-4, chargé électriquement) et un neutron libre (sans charge). L'énergie totale libérée est de 17,6 MeV. Comme vu précédemment, cette énergie se manifeste sous forme d'énergie cinétique, distribuée de manière asymétrique : 80 % va au neutron et 20 % va à la particule alpha.

Cette division définit l'architecture du tokamak. La particule alpha, étant chargée, est retenue par le champ magnétique et reste à l'intérieur du plasma, lui transférant ses 3,5 MeV directement sous forme de chaleur. Ce chauffage interne par les particules alpha est ce qui permet la création d'un Burning Plasma — régime dans lequel la réaction devient auto-entretenue, le plasma lui-même fournissant la majeure partie de la chaleur nécessaire pour maintenir la fusion, réduisant ainsi la dépendance au chauffage externe. Atteindre ce régime est ce qui ferait d'un tokamak une centrale électrique fonctionnelle : sans auto-entretien, la machine consommerait plus d'énergie pour maintenir le plasma chaud qu'elle ne pourrait en extraire de la fusion, et l'équation énergétique ne se fermerait jamais.

Le neutron libéré, sans charge, traverse le champ magnétique sans interagir avec lui et est absorbé par les parois de la chambre, où son énergie cinétique est convertie en chaleur. Dans une future centrale à fusion, cette chaleur chaufferait de l'eau, produirait de la vapeur, actionnerait des turbines et, finalement, produirait de l'électricité — fonctionnant exactement comme une centrale conventionnelle, à la différence que le combustible est le deutérium et le tritium et que le sous-produit est l'hélium.

Sources : ITER Organization — What is a Tokamak? · What is Burning Plasma? · FAQs · IAEA — Burning Plasma · DOE — DOE Explains...Burning Plasma · IAEA — Magnetic Fusion Confinement with Tokamaks and Stellarators · EnergyEncyclopedia.com — Tokamak: Main Principles

Les composants du tokamak

Confiner un plasma à 150 millions de °C et en extraire de l'énergie utile exige une ingénierie d'une extrême précision. ITER, en construction à Cadarache (France), est le plus grand tokamak jamais conçu et réunit sept systèmes principaux — chacun responsable d'une partie spécifique de la création, du maintien et de la protection du plasma de fusion.

Bobines de champ toroïdal

Les bobines de champ toroïdal génèrent le principal champ magnétique du tokamak — celui qui donne au plasma sa forme d'anneau. Ce sont 18 bobines en forme de « D » disposées autour de la chambre à vide, formant une cage magnétique continue.

Chaque bobine mesure 17 m de haut, 9 m de large et pèse environ 360 tonnes, et produit un champ d'environ 11,8 teslas — environ 250 000 fois le champ magnétique terrestre. Pour soutenir cette intensité sans pertes, les bobines sont en niobium-étain (Nb₃Sn), un supraconducteur qui fonctionne à –269 °C, refroidi à l'hélium liquide.

La forme en « D », et non circulaire, n'est pas esthétique : elle répartit les forces magnétiques uniformément, maintenant chaque bobine en tension pure et évitant toute déformation sous l'effet de centaines de millions de newtons.

Bobines de champ poloïdal

Alors que les bobines toroïdales donnent au plasma sa forme d'anneau, les bobines de champ poloïdal en contrôlent la position et la géométrie. Ce sont 6 anneaux horizontaux de diamètres différents, situés au-dessus et au-dessous des bobines toroïdales et entourant l'ensemble.

Elles façonnent le plasma — le poussant vers le haut, vers le bas, comprimant ou allongeant sa section — et le tiennent à l'écart des parois, évitant tout contact direct et toute perte de chaleur. Sans elles, le plasma serait instable et heurterait les surfaces en quelques millisecondes.

Les bobines PF d'ITER utilisent un supraconducteur niobium-titane (Nb-Ti), plus simple que le Nb₃Sn des TF, suffisant pour le champ plus faible qu'elles doivent générer. La plus grande mesure 24 m de diamètre.

Solénoïde central

Le solénoïde central est la colonne vertébrale magnétique du tokamak — une colonne verticale de bobines sur l'axe de la machine. Sa fonction est d'induire un courant électrique directement dans le plasma, jouant le rôle de primaire d'un transformateur géant dont le plasma est le secondaire.

Ce courant induit produit le champ poloïdal interne au plasma, qui se combine au champ toroïdal des bobines externes pour produire le champ hélicoïdal qui confine effectivement les particules.

Le CS d'ITER mesure 18 m de haut, 4,3 m de diamètre et pèse environ 1 000 tonnes. Il est composé de 6 modules empilés, chacun en supraconducteur Nb₃Sn, produisant un champ de 13 teslas — l'une des structures magnétiques les plus puissantes jamais construites.

Chambre à vide

La chambre à vide est le réceptacle toroïdal où le plasma existe réellement. Elle est hermétiquement scellée et maintenue sous ultra-vide (10⁻⁷ Pa) : la moindre impureté, même une seule molécule d'air, contaminerait et refroidirait instantanément le plasma.

C'est aussi la première barrière de sécurité de la machine, contenant les réactions nucléaires et protégeant l'environnement extérieur du rayonnement et du tritium. Ses doubles parois en acier inoxydable sont remplies d'eau pour le refroidissement et la protection contre les neutrons.

À ITER, la cuve pèse environ 5 200 tonnes, mesure 19,4 m de diamètre et 11,4 m de haut, et dispose de 44 ouvertures pour les diagnostics, le chauffage et la maintenance à distance.

Couverture (Blanket)

La couverture tapisse l'ensemble de la paroi interne de la chambre à vide. C'est la première surface solide face au plasma, et elle remplit deux fonctions critiques : absorber la chaleur et les neutrons rapides libérés par la fusion et protéger la cuve, les aimants et le reste de la machine.

Rappelons que 80 % de l'énergie libérée par la fusion D-T va aux neutrons : c'est dans la couverture que cette énergie est convertie en chaleur — chaleur qui, dans une future centrale, alimentera la vapeur et l'électricité. Dans les réacteurs commerciaux, la couverture contiendra aussi du lithium pour produire le tritium consommé par la fusion, fermant le cycle du combustible.

À ITER, la couverture est composée de 440 modules d'environ 4,6 tonnes chacun, avec une première paroi en béryllium (et tungstène dans la configuration mise à jour), capable de supporter des flux thermiques extrêmes sans se dégrader.

Divertor

Le divertor se trouve au fond de la chambre et est le composant le plus sollicité thermiquement de tout le tokamak. Son rôle est d'extraire les cendres de la réaction — l'hélium produit par la fusion D-T — avant qu'il ne s'accumule dans le plasma, dilue le combustible et étouffe la réaction.

Il canalise les particules échappées du bord du plasma vers des plaques spéciales où elles sont neutralisées et pompées. Ces plaques supportent 10 MW/m² en régime permanent et jusqu'à 20 MW/m² en transitoire — dix fois le flux thermique d'un vaisseau spatial en rentrée atmosphérique.

À ITER, le divertor est composé de 54 cassettes en acier inoxydable de 10 tonnes chacune, démontables à distance. Le revêtement est en tungstène, choisi pour son point de fusion le plus élevé parmi les métaux (3 422 °C).

Cryostat

Le cryostat enveloppe toute la chambre à vide et l'ensemble des aimants supraconducteurs. C'est la plus grande chambre à vide en acier inoxydable jamais construite : 16 000 m³, 28 m de diamètre et près de 30 m de haut, pour 3 850 tonnes.

Son rôle est de maintenir l'environnement ultra-froid sous vide dont les supraconducteurs ont besoin pour fonctionner. En moins de 15 mètres, il isole l'intérieur à –269 °C du plasma à +150 millions de °C — l'un des gradients thermiques les plus extrêmes jamais réalisés par l'humanité.

Sources : ITER Organization — Magnets · Vacuum Vessel · Blanket · Divertor · Cryostat.