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Plasmas : la matière dans un drôle d'état

-R.A.

L'Univers visible est presque tout entier constitué de plasma, et c'est dans des plasmas très chauds que l'on crée les conditions propices à la fusion. Depuis plus d'un demi-siècle, les physiciens explorent ce « quatrième état de la matière » pour en comprendre les dynamiques et tenter d'en organiser le chaos. (Click to view larger version...)
L'Univers visible est presque tout entier constitué de plasma, et c'est dans des plasmas très chauds que l'on crée les conditions propices à la fusion. Depuis plus d'un demi-siècle, les physiciens explorent ce « quatrième état de la matière » pour en comprendre les dynamiques et tenter d'en organiser le chaos.
Le moins connu des quatre états de la matière est aussi, paradoxalement, le plus répandu : 99,99% de l'univers visible — les étoiles, le milieu intergalactique... — se trouve à l'état de plasma. Dans notre système solaire, qui compte pourtant quatre planètes bien solides (dont l'une, la nôtre, regorge d'eau liquide) et quatre géantes gazeuses, le pourcentage est à peine moindre : le Soleil, énorme sphère de plasma brûlant, concentre 99,85% de la masse totale du système.

Un plasma est un gaz dont les atomes, sous l'effet de la température, ont été dissociés. Alors que dans les trois autres états de la matière (solide, liquide et gazeux) le noyau et les électrons des atomes sont étroitement liés, ils cessent de l'être dans un plasma. Changeant de nature, le gaz «ionisé » (autre appellation du plasma) change radicalement de propriétés.

Lorsque l'idée naquit de reproduire les réactions physiques qui se surviennent au cœur du Soleil et des étoiles pour en exploiter la prodigieuse énergie, deux propriétés des plasmas se révélèrent d'une importance capitale : la conductivité électrique et la sensibilité aux champs magnétiques. Alors qu'un gaz est un isolant, un plasma est au contraire un bon conducteur de l'électricité que l'on peut confiner et « modeler » par un champ magnétique

Pour rappeler que son inspiration était née dans les étoiles, Lyman Spitzer baptisa « stellarator » la machine de fusion qu'il construisit en 1951 à l'Université de Princeton aux Etats-Unis. (Click to view larger version...)
Pour rappeler que son inspiration était née dans les étoiles, Lyman Spitzer baptisa « stellarator » la machine de fusion qu'il construisit en 1951 à l'Université de Princeton aux Etats-Unis.
L'astrophysicien Lyman Spitzer (1914-1997), au début des années 1950, comprit tout le parti que l'on pouvait tirer de ces propriétés : en portant un plasma d'hydrogène à très haute température et en le confinant dans un champ magnétique, on pourrait créer des conditions propices à la fusion des noyaux — on recréerait la réaction nucléaire qui, depuis des milliards d'années, inonde l'univers de lumière et d'énergie. Pour rappeler que son inspiration était née dans les étoiles, Spitzer baptisa « stellarator » la machine qu'il construisit en 1951 à l'Université de Princeton aux Etats-Unis.

Dans la communauté scientifique, beaucoup pensaient alors que la maîtrise de l'énergie de fusion serait réalisée à brève échéance. Ce que les chercheurs n'imaginaient pas c'est à quel point les plasmas allaient se révéler difficiles à dompter — instables et capricieux, imprévisibles, déroutants, ils se vidaient presque instantanément de leur énergie, échappant aux champs magnétiques dans lesquels on tentait de les confiner.

On mesura alors à quel point cet étrange état de la matière était mal connu. Et l'on entreprit de l'explorer, d'en comprendre les dynamiques et de tenter d'en organiser le chaos. La physique des plasmas était née ; son étude occuperait trois générations de physiciens.

Parallèlement aux recherches fondamentales, les chercheurs des grandes nations développées, Etats-Unis, France, Royaume-Uni, Union soviétique, Allemagne, Japon, mettaient au point des « machines de fusion » (machines ouvertes à miroir, theta-pinch, machines toroïdales fermées...) dont les performances, au final, se révélaient toujours décevantes. L'enjeu toutefois était trop immense pour laisser le découragement l'emporter.

Un plasma dans le tokamak Tore Supra (CEA-Euratom) opérationnel depuis 1988 au CEA-Cadarache (Bouches-du-Rhône). (Click to view larger version...)
Un plasma dans le tokamak Tore Supra (CEA-Euratom) opérationnel depuis 1988 au CEA-Cadarache (Bouches-du-Rhône).
Au début des années 1960 un type de machine nouveau, conçu par des chercheurs soviétiques, vint tout bouleverser : avec le « tokamak » (acronyme russe de « chambre toroïdale, bobines magnétiques), la performance était enfin au rendez-vous. Dans le tokamak T-3 de l'Institut Kurchatov, on avait pu porter le plasma à une température de l'ordre de 10 millions de degrés C et, plus impressionnant encore pour un physicien des plasmas, le temps de confinement de l'énergie avait dépassé 10 millisecondes, dix fois plus que ce que l'on avait obtenu jusqu'alors.

La descendance de T-3, incarnée dans des centaines de machines de plus en plus puissantes et de plus en plus performantes, allait tenir sa promesse : les tokamaks produisent aujourd'hui des plasmas de plusieurs centaines de millions de degrés et, dans ITER, le plus grand tokamak jamais construit, le temps de confinement de l'énergie sera de l'ordre de plusieurs secondes — suffisant pour que les réactions de fusion s'amorcent et libèrent leur formidable énergie.

Le plasma lui, garde toujours une part de ses mystères. Mais les physiciens ont appris à composer avec lui. Dans les tokamaks contemporains, le plasma a été « discipliné » par des systèmes magnétiques sophistiqués et l'on sait désormais anticiper, canaliser et atténuer ses brutales sautes d'humeur.

Plus de soixante ans se sont écoulés depuis la géniale intuition de Spitzer. Avec ITER, pour la première fois, l'humanité va s'approprier le feu des étoiles.