Pourquoi l'Institut Max Planck voulait-il cuire du plasma dans son réacteur à fusion?

Il n’existe rien de plus qu'un réacteur à fusion pour générer de l’excitation. Après neuf ans de construction et un milliard d'euros, les scientifiques de l'Institut de physique des plasmas Max Planck ont ​​lancé le premier test à chaud du dispositif de fusion Wendelstein 7-X le 10 décembre et ont généré un plasma d'hélium d'une durée d'un dixième de seconde. et atteint un million de degrés Celsius. Mais ne soyez pas trop excité pour le moment. Ce n’était qu’un pas en avant pour préparer l’appareil à son véritable objectif: étudier la fusion nucléaire avec de l’hydrogène.

Ok, maintenant vous êtes pompé.

La fusion est depuis longtemps le veau d'or de la recherche sur l'énergie nucléaire, mettant en évidence la fission nucléaire dans toutes les catégories sauf la faisabilité. La fusion produit une quantité d’énergie colossale - c’est après tout le même processus qui alimente le soleil. Mais son pouvoir en fait une tâche difficile à gérer. Chaque réacteur à fusion construit jusqu'à présent consomme plus d'énergie qu'il n'en produit. Le record de puissance de fusion a été établi en 1997: 16 mégawatts produits avec une puissance d'entrée de 24 mégawatts. Mais si quelqu'un parvient à inverser cette équation… Pouvez-vous dire une énergie bon marché et sans carbone?

Contrairement à son cousin moins sophistiqué, la fusion ne produit aucun déchet radioactif. Le cycle d'alimentation en hydrogène est moins problématique que le cycle d'alimentation en uranium. Pour être juste, les sources d'hydrogène les plus courantes aujourd'hui sont le charbon et le gaz naturel, mais l'hydrogène pourrait être produit par électrolyse.

La fission et la fusion se ressemblent à deux égards. Les deux exploitent la conversion d'atomes d'un élément en atomes d'un autre élément, et les deux ont d'abord été utilisés comme armes. Fat Man et Little Boy, les bombes à fission larguées sur Hiroshima et Nagasaki en 1945, cédèrent la place dès 1952 à des appareils de fusion comme Ivy Mike. (Bien que Ivy Mike n'ait pas été construit en tant que bombe, il a rapidement été suivi par des ogives thermonucléaires produisant de nombreuses mégatonnes générées par des missiles intercontinentaux.)

La bombe à fusion était connue pour être une bombe H pour une raison: la libération d'énergie sans précédent provenait de la fusion d'atomes d'hydrogène. Les chercheurs de Fusion cherchent à exploiter cet effet pour la production d'électricité par des civils. Il s'avère que c'est un défi. La fusion de l’hydrogène à la surface de la Terre nécessiterait des températures supérieures à un million de degrés Celsius. À ces températures, l'hydrogène et l'hélium deviennent un plasma, la quatrième forme de matière.

Mais qu'est-ce que c'est qu'un plasma, de toute façon?

En bref, un plasma est un gaz ionisé. Dans un plasma, toutes les liaisons moléculaires se dissolvent et les électrons quittent leurs atomes hôtes. Les plasmas sont hautement conducteurs car ils ont une densité de porteurs de charge élevée, c'est-à-dire que les électrons et les ions sont libres de se déplacer indépendamment les uns des autres en réponse à un champ électrique.

Bien que tout cela semble exotique, les plasmas font des apparitions régulières dans nos vies. La lumière des éclairs et des enseignes au néon provient des électrons qui se recombinent avec des ions et s’enfoncent dans des états quantiques inférieurs, un processus connu sous le nom d’émission spontanée. Certaines flammes sont suffisamment chaudes pour ioniser les gaz d'échappement et les torches à plasma, les écrans à plasma et les soudeuses à arc utilisent toutes des plasmas.

Mais tous ceux-ci n'ont rien sur le plasma dans un réacteur à fusion. À un million de degrés Celsius, les atomes dans la soupe de fusion sont extrêmement énergiques. S'ils ne sont pas contenus, ils s'envoleront, endommageront l'appareil et ne fusionneront pas les uns avec les autres. Sans confinement, vous n’atteindrez probablement jamais un million de degrés.

Le confinement est la défi majeur de la recherche sur la fusion. Le plasma doit être conservé dans un espace confiné et ne doit pas toucher les parois du récipient de fusion. Il va sans dire que le navire doit être maintenu sous vide poussé. Wendelstein 7-X utilise 65 pompes à vide pour maintenir la pression à 0,000000001 millibars. (C’est 0,000001 Pascals pour les amateurs d’IS.) Le seul moyen réaliste de confiner un gaz ionisé à des températures infernales est de le maintenir dans un champ magnétique. Et c'est là que les choses deviennent vraiment difficiles.

Pendant des années, la conception du réacteur à fusion la plus populaire était le tokamak. Des années avant que les super-ordinateurs ne jouent aux échecs, détruisent les humains chez Jeopardy et plient les protéines, les scientifiques ont imaginé des méthodes intelligentes pour produire le champ magnétique correctement formé. Dans un tokamak, un courant électrique circulant dans les paires de plasma avec des électroaimants externes crée le champ magnétique nécessaire.

Ce n’est pas le cas dans Wendelstein 7-X. Ici, le champ de confinement provient entièrement d'électroaimants supraconducteurs externes. L'équipe de recherche a utilisé un supercalculateur pour optimiser la forme de ces aimants et éliminer le besoin d'un courant de plasma. Ce style de réacteur à fusion est connu sous le nom de stellarator.

Jusqu'à présent, personne n'a construit de réacteur à fusion générant plus d'énergie qu'il n'en consomme. Même le Wendelstein 7-X, le plus grand réacteur de type stellarator du monde, a été construit à des fins de recherche et non de production d'énergie. Mais si vous souhaitez investir vos espoirs dans un projet de fusion, Wendelstein 7-X est un bon point de départ. Assurez-vous également de garder un œil sur ITER, qui sera également le plus grand tokamak du monde.