Fusion nucléaire : nouveau record pour le tokamak chinois !

En Chine, il n’y a pas moins de six réacteurs à fusion nucléaire expérimentaux en état de fonctionnement. L’un d’eux, le tokamak supraconducteur expérimental avancé surnommé East, vient de battre un record en maintenant un plasma chauffé à plusieurs dizaines de millions de degrés pendant plus de dix-sept minutes !

Dans le contexte de réchauffement climatique, il devient urgent de trouver des alternatives aux énergies fossiles. Les énergies renouvelables sont de celles-ci. La fusion nucléaire pourrait en être, également, car elle promet de libérer une énergie colossale. Une énergie propre et pratiquement illimitée. Mais pour cela, il reste quelques verrous technologiques à faire sauter. Parmi lesquels, de réussir à maintenir les plasmas créés au cœur des réacteurs non seulement à de très hautes températures, mais aussi pendant suffisamment longtemps.

Fin mai 2021, le tokamak supraconducteur expérimental avancé chinois connu sous le nom d’East – pour Experimental Advanced Superconducting Tokamak – avait ainsi pu maintenir une température de quelque 120 millions de degrés Celsius pendant 100 secondes, et même 160 millions de degrés pendant 20 secondes. Et l’Académie des sciences chinoise lui avait fixé l’objectif de dépasser les 1.000 secondes avant la fin de l’année.

Un record sur la durée

Il semblerait que ce soit désormais chose faite. Puisque le « Soleil artificiel » – surnommé ainsi, car il imite les réactions de fusion nucléaire qui se produisent au cœur de notre étoile – chinois est parvenu, le 30 décembre dernier, à maintenir une température de plasma d’environ 70 millions de degrés Celsius – près de trois fois la température qui règne au cœur de notre Soleil tout de même – pendant pas moins de 1.056 secondes, soit quelque 17 minutes et 36 secondes ! De quoi battre aussi le record de durée de confinement d’un plasma établi par le tokamak français Tore Supra en 2003 : 390 secondes.

Ne nous y trompons pas. La route vers la fusion nucléaire sera encore longue. Mais les réalisations du tokamak chinois, notamment sur la durée de confinement des plasmas, constituent des avancées importantes.

Fusion nucléaire : le soleil artificiel chinois bat son record de température

En décembre dernier, un tokamak chinois à peine allumé, le HL-2M, avait atteint les 150 millions de degrés Celsius. Ce vendredi 28 mai, un autre tokamak chinois, l’Experimental Advanced Superconducting Tokamak (East) a fait mieux. Il a atteint 160 millions de degrés Celsius. Mais il a surtout réussi à maintenir son plasma à une température de plus de 120 millions de degrés Celsius pendant 101 secondes.

Article de Nathalie Mayer paru le 06/06/2021

Un tokamak — l’acronyme vient du russe –, c’est un engin imaginé par les physiciens pour produire de l’énergie par fusion nucléaire. Une énergie réputée propre — sans émission de gaz à effet de serre ni production de déchets radioactifs à haute activité et à vie longue –, sûre et illimitée. Encore faut-il que la température du plasma qui l’alimente soit suffisamment élevée. Et qu’elle puisse être maintenue à un niveau stable pendant une longue période de temps.

L’objectif semble se rapprocher. Grâce au tokamak chinois appelé Experimental Advanced Superconducting Tokamak (East). Il y a quelques jours, au cœur de ce véritable soleil artificiel, la température du plasma est montée à quelque 120 millions de degrés Celsius pour y rester pendant 101 secondes. Pendant 20 petites secondes, le réacteur à fusion nucléaire expérimental a même atteint les 160 millions de degrés Celsius.

Encore du travail avant de pouvoir produire de l’électricité

Les chercheurs qui travaillent sur le tokamak chinois sont enthousiastes. Ils évoquent, grâce au maintien d’une température de plus de 100 millions de degrés Celsius pendant un temps certain, « le passage d’une étape clé pour la production d’énergie par fusion nucléaire ». Mais l’objectif d’East est de parvenir à maintenir une température de 100 millions de degrés Celsius pendant… 1.000 secondes ! Les ingénieurs reconnaissent donc que la route sera encore longue. Ils estiment même que le premier soleil artificiel ne devrait pas être fonctionnel avant au moins 30 ans !

Rappelons que le tokamak East est l’un des engins satellites du projet de réacteur thermonucléaire expérimental international, le projet Iter. Celui-ci mobilise pas moins de 35 pays pour un réacteur qui ne devrait pas produire son premier plasma avant fin 2025.

Fusion nucléaire : la Chine a allumé son « soleil artificiel »

Il y a un an, la Chine achevait la construction de son réacteur à fusion nucléaire expérimental, le tokamak HL-2M. Les responsables du projet viennent d’annoncer l’avoir mis en service avec succès. Ils y placent l’espoir de maîtriser enfin une source d’énergie propre.

Article de Nathalie Mayer paru le 07/12/2020

La fusion nucléaire. Les chercheurs l’envisagent comme la solution ultime à nos problèmes énergétiques. Car produire de l’énergie en rapprochant des noyaux atomiques — comme le fait naturellement le Soleil — se fait sans émission de gaz à effet de serre, sans production de déchets radioactifs et avec moins de risques d’accident.

La Chine l’avait annoncé en 2019. Son réacteur à fusion nucléaire expérimental le plus performant serait opérationnel en 2020. Mission accomplie il y a quelques jours avec la mise en service du tokamak HL-2M. Il est affectueusement surnommé « soleil artificiel ». À terme, sa chambre de confinement magnétique devrait en effet générer une chaleur phénoménale de plus de 200 millions de degrés Celsius. C’est plus de dix fois plus que la température qui règne au cœur de notre étoile.

Une pierre de plus à l’édifice Iter

Mais c’est l’une des conditions établies par les physiciens pour parvenir à leur but. Pour permettre des réactions de fusion nucléaire, un tokamak doit aussi assurer une densité de particules suffisante pour produire le plus grand nombre de collisions possible et un temps de confinement de l’énergie assez long pour assurer des collisions à grande vitesse.

Le « soleil artificiel » chinois devrait apporter des données utiles aux équipes qui développent le projet Iter de réacteur à fusion nucléaire international basé en France. Lancé en 2006, il rassemble 35 pays et devrait être achevé fin 2025 — avec plus de cinq ans de retard. Pour un coût total estimé à près de 20 milliards d’euros — soit plus de trois fois le budget initial. L’assemblage du million de pièces constituant ce gigantesque soleil artificiel — qui vise les 150 millions de degrés Celsius — a commencé en juillet dernier, à Saint-Paul-lès-Durance (Bouches-du-Rhône).

Fusion contrôlée : la Chine dans la course pour rattraper son retard avec un soleil artificiel

Le record de température dans un tokamak est de 510 millions de degrés pour la fusion nucléaire. Il est toujours détenu par les USA depuis 25 ans. Celui de la durée de stabilité pour un plasma dans ce type de machine est lui détenu depuis 2003 par le CEA, 6 minutes et demie. Mais l’année prochaine, la Chine entend bien apporter sa nouvelle pierre au projet Iter en atteignant 200 millions de degrés dans le tokamak  HL-2M.

Article de Laurent Sacco paru le 21/12/2019

Comme Futura le rappelait dans le précédent article ci-dessous, le réacteur états-unien Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), sur le site de l’Université de Princeton dans le New Jersey, avait atteint une température de 510 millions de degrés en 1995, un record du monde qu’il détient toujours dans le domaine de la fusion nucléaire. Un autre record, détenu par la France cette fois-ci, et depuis 2003 grâce au tokamak Tore Supra du CEA, est l’obtention d’un plasma stable pour la fusion pendant six minutes et demie.

Il n’y a donc a priori pas de quoi être impressionné par l’annonce faite tout récemment par la Chine qu’elle avait achevé la construction du réacteur de fusion HL-2M dans un centre de recherche à Chengdu, capitale de la province du Sichuan (sud-ouest de la Chine). En effet, ce tokamak, qui deviendra opérationnel en 2020, devrait générer des plasmas à une température de l’ordre de 200 millions de degrés. C’est l’un des trois principaux tokamaks nationaux actuellement construits en Chine, les deux autres étant EAST et J-TEXT.

Iter, toujours le bon chemin vers la fusion nucléaire

Toutefois, il s’inscrit bien dans la stratégie de la Chine pour jouer un rôle important dans le cadre du grand projet de réacteur thermonucléaire expérimental international (Iter), ainsi que pour l’auto-conception et la construction de réacteurs à fusion. Rappelons en effet que la Chine est membre d’Iter, en construction en France, aux côtés de l’Union européenne, des États-Unis, de l’Inde, du Japon, de la Corée du Sud et de la Russie. Rien d’étonnant car la Chine mène des recherches sur la fusion contrôlée depuis les années 1960.

Rappelons aussi que depuis les années 1950, plus de 200 tokamaks ont contribué aux avancées de la recherche sur la fusion par confinement magnétique et qu’il existe de nombreux laboratoires dans le monde qui travaillent sur ce sujet comme on peut s’en convaincre sur le site d’iter. On trouve d’ailleurs sur ce site une présentation du réacteur HL-2M en ces termes : « Doté de nouvelles bobines de champ toroïdal et d’un divertor offrant plus de flexibilité et d’efficacité, HL-2M devrait produire des plasmas de plus grande stabilité. HL-2M doit permettre d’affiner encore les bases scientifiques et technologiques de la fusion magnétique dans la perspective de son exploitation industrielle ». Des recherches sur ce que les ingénieurs appellent un divertor dans un tokamak et donc aussi pour Iter ont été notamment poursuivies dans le cadre du projet West mené par le CEA dont avait parlé Futura. On sait aussi que le plasma dans un tokamak est sujet à de nombreuses instabilités qui peuvent parfois produire l’équivalent des éruptions solaires. Plusieurs solutions pour contrôler ces instabilités sont à l’étude (le mode H par exemple) et HL-2M est un des outils que les physiciens veulent employer dans ce but.

Rappelons enfin qu’il n’est pas possible d’assurer dignement le futur de l’humanité au XXI^e siècle sans des sources d’énergie suffisantes et sans réduire l’injection de CO₂ dans l’atmosphère pour limiter, autant que faire se peut, le réchauffement climatique et rester en dessous des fameux 2 °C supplémentaires. La fusion ne devrait pas permettre de produire industriellement de l’énergie décarbonée avant la fin des années 2050 ce qui veut dire que même si elle est vouée à jouer un rôle important dans le futur, par exemple pour aider à faire de la géoingénierie, nous devons agir sans elle maintenant et rapidement. Ainsi, pour de très nombreux experts et contrairement à ce qui est souvent dit dans les médias, nous ne pourrons pas nous passer de l’énergie nucléaire produite par la fission.

La Chine l’a bien compris, car, tout en développant massivement le solaire et l’éolien, elle a entrepris de développer tout aussi rigoureusement son parc nucléaire, avec 11 réacteurs en construction en 2018 pour atteindre son but d’avoir 10 % de son électricité d’origine nucléaire en 2030.

Fusion contrôlée : non, le tokamak chinois n’est pas le premier à atteindre 100 millions °C

Article de Laurent Sacco publié le 24/10/2016

La Chine a fait savoir qu’avec son tokamak Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) elle avait atteint une température de 100 millions de degrés avec un temps de stabilité pour le plasma confiné de l’ordre de 100 secondes. Une performance remarquable et nouvelle pour ce que l’on appelle le mode H de confinement, mais des chiffres déjà atteints il y a des décennies par les États-unis et l’Europe.

Les défis pour l’énergie au XXI^e siècle sont si monstrueux par rapport à la contrainte du réchauffement climatique que l’Humanité ne peut pas se permettre de ne pas se lancer dans la course à la production industrielle d’électricité avec des réacteurs à fusion contrôlée. Et nous l’espérons disponible à l’horizon 2050 grâce à Iter et son successeur Démo. Hélas, sauf percées révolutionnaires et inattendues, elle arrivera trop tard pour éviter une catastrophe si nous ne disposons pas avant de sources d’énergies massivement décarbonées pour l’électricité. Comme le pense nombre de climatologues du Giec et d’experts, nous n’arriverons pas mondialement à relever ces défis sans une part importante, et même croissante, d’énergie à base de fission nucléaire. Une affirmation récemment rappelée notamment avec force par François-Marie Bréon, directeur adjoint du laboratoire des sciences du climat et de l’environnement de l’Institut Pierre-Simon Laplace.

Il est naturel de penser que d’autres réacteurs à fusion contrôlée sont peut-être possibles et que l’on pourra les développer bien avant l’horizon 2050. Certains pourraient donc croire que la récente annonce faite par l’Institut de sciences physiques de Hefei, qui travaille depuis 2006 sur la fusion avec le mini-réacteur Experimental Advanced Superconducting Tokamak, puisse être un signe d’espoir dans cette direction, voire qu’elle signale une amorce d’un leadership de la Chine avec ce type de réacteur dans la course à la fusion par rapport au projet Iter.

Il n’en est rien, déjà parce que les chiffres avancés, une température de 100 millions de degrés et un temps de stabilité pour le plasma d’environ 101 secondes, un peu plus d’une minute et demie, n’impressionnent pas de nos jours quiconque connaît un peu l’histoire de la fusion contrôlée.

34 fois la température du cœur du Soleil dans un tokamak en 1995

En effet, déjà en 1985, le réacteur états-unien Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), sur le site de l’université de Princeton dans le New Jersey, avait atteint le seuil des 100 millions de degrés kelvins, puis en 1986 celui des 200 millions de degrés (pour rappel la température au centre du Soleil est estimée à 15-20 millions de degrés environ). Au cours des années 1990, le tokamak européen JET – acronyme de l’anglais Joint European Torus, littéralement Tore commun européen -, le plus grand tokamak existant, situé au Culham Science Center près d’Oxford, atteignait aussi les 100 millions de degrés et devenait le premier à faire vraiment de la fusion de noyaux de deutérium et de tritium avec un mélange 50/50, la réaction la plus prometteuse pour la production d’énergie. Aussi capable de faire des expériences avec ce type de réaction, le TFTR atteignait en 1995 un record du monde qu’il détient toujours, une température record de 510 millions de degrés kelvins. En 1997, en utilisant un mélange de deutérium et de tritium 50/50, le JET a établi le record mondial actuel en matière de production de fusion à 16 MW pour une puissance de chauffage de 24 MW. C’est aussi le record du monde pour la quantité appelé Q, avec 0,67. Un Q de 1 correspond au seuil de rentabilité en énergie, c’est-à-dire que l’énergie dégagée par la fusion est égale à celle consommée pour l’obtenir. La valeur Q doit donc être supérieure à 1 et le but d’Iter est d’atteindre un Q de 10.

La France, quant à elle, détient toujours un autre record depuis 2003 grâce au tokamak Tore Supra du CEA. Il a permis d’obtenir un plasma stable pour la fusion pendant six minutes et demie.

L’Experimental Advanced Superconducting Tokamak détient quand même un record, celui de la plus longue stabilité pour un plasma (qui n’est pas un mélange de deutérium et de tritium, donc sans la réaction de fusion que l’on cherche in fine) avec un mode H. Il s’agit d’un mode particulièrement stable pour confiner le plasma avec des champs magnétiques, ce qui est bien sûr une nécessité pour éviter que le plasma ne détruise les parois d’un réacteur thermonucléaire.

Mais ce mode H est précisément celui que l’on veut produire avec un réacteur de la taille d’Iter car c’est alors, avec cette taille, que l’on devrait atteindre un Q de 10. L’Experimental Advanced Superconducting Tokamak est donc trop petit mais, incontestablement, les expériences faites avec lui renforcent la conviction que l’on est bien sur le bon chemin avec Iter. D’ailleurs la Chine elle-même est membre du projet Iter, ce qui n’est pas un hasard.

Fusion contrôlée : nouveau record du monde pour la pression dans un tokamak

Article de Laurent Sacco publié le e 24/10/2016

Avant qu’Iter ne prenne vraiment la tête des expériences mondiales sur la fusion contrôlée, de petites équipes continuent à faire progresser la technologie dans ce domaine de recherche, cruciale pour le futur de l’humanité. Les chercheurs du MIT viennent ainsi de battre le record du monde pour la pression du plasma dans un tokamak.

La production industrielle d’électricité à partir de la fusion contrôlée ne devrait malheureusement pas devenir une réalité à l’échelle de la Planète avant la seconde moitié du XXI^e siècle. Il devrait être trop tard pour éviter une crise mondiale comme jamais l’humanité  n’en a connue. C’est pourquoi certains rêvent encore à des percées imprévues qui pourraient se faire beaucoup plus tôt et avec des machines de plus petites tailles que des tokamaks comme le futur Iter, dont le gigantisme n’aidera pas à faire des progrès rapides, bien que l’on considère qu’il soit une nécessité pour réussir. Ces tokamaks confinent un gaz de particules chargées formant en réalité un plasma, un quatrième état de la matière, et que l’on chauffe à plusieurs dizaines de millions de kelvins voire même au-delà. Ce confinement est obtenu par des champs magnétiques afin de limiter drastiquement le contact du plasma avec les parois du dispositif en forme de tore le contenant qui ne peut bien sûr, que se vaporiser au-delà de quelques milliers de kelvins.

Parmi les expériences ayant servi à paver la voie du projet Iter, on peut citer celles effectuées avec le réacteur à fusion Alcator C-Mod du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC). Ce tokamak du MIT, était le plus grand réacteur à fusion expérimentale universitaire du monde jusqu’à son arrêt le 30 septembre 2016. Il était en fonctionnement depuis 1993. Parmi les expériences sur la fusion par confinement magnétique, c’est celui où la pression du plasma et l’intensité du champ magnétique sont les plus élevées au monde. Son nom est d’ailleurs l’acronyme de l’italien Alto Campo Torus, ce qui signifie tore à champ élevé. Trois générations de ce type de tokamak se sont succédées, A, B et finalement C.

Une production d’énergie qui croit avec le carré de la pression du plasma

Les chercheurs du MIT viennent de faire savoir que lors de son dernier jour de fonctionnement, Alcator C-Mod avait battu son propre record du monde (1,77 atmosphère en 2005) en ce qui concerne la pression du plasma dans un tokamak, en atteignant la valeur de 2,05 atmosphères. Pour réussir une telle prouesse, il a fallu un champ magnétique dont l’intensité est de 5,7 teslas, soit plus de 100.000 fois supérieure à celui de la Terre. La température atteinte dans le plasma était d’environ 35 millions de kelvins, plus de deux fois celle régnant au cœur du Soleil, et tout cela dans un volume de seulement un mètre-cube, durant deux secondes.

Pourquoi faire la course à des pressions de plus en plus élevées ? Tout simplement à cause du critère de Lawson, une formule simple que l’on doit au physicien britannique John David Lawson dans les années 1950. Sous la forme connue sous le nom de « produit triple », celui de la température du plasma par sa densité et un temps de confinement dans un tokamak, il permet d’évaluer un seuil au-delà duquel les réactions de fusions thermonucléaires peuvent produire plus d’énergie qu’elles n’en consomment pour exister. Au final, on constate avec ce critère que l’énergie produite par unité de temps est proportionnelle au carré de la pression dans le plasma. Multiplier par deux la pression permet donc de quadrupler la puissance générée dans un tokamak.

Normalement, il faudra attendre la mise en service d’Iter pendant les années 2030 pour battre le record de Alcator C-Mod. Une pression de 2,6 atmosphères devrait alors être atteinte dans le plasma.