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Atteindre les 150 000 000 °C

La science

Cette magnifique image est celle d'un plasma dans le tokamak coréen KSTAR. Les zones qui apparaissent surexposées ne sont pas les plus chaudes: à 150 millions de degrés, le plasma ne rayonne pas dans la lumière visible et c'est au cœur des deux ''D'' inversés que la température est la plus élevée. © National Fusion Research Institute Korea (Click to view larger version...)
Cette magnifique image est celle d'un plasma dans le tokamak coréen KSTAR. Les zones qui apparaissent surexposées ne sont pas les plus chaudes: à 150 millions de degrés, le plasma ne rayonne pas dans la lumière visible et c'est au cœur des deux ''D'' inversés que la température est la plus élevée. © National Fusion Research Institute Korea
Pour obtenir des réactions de fusion, il faut porter les particules du plasma à très haute température. ITER mettra simultanément en œuvre plusieurs techniques de chauffage pour porter le plasma à 150 millions de degrés Celsius dans le cœur de la machine.

Dans le tokamak, les variations des champs magnétiques utilisés pour contrôler le plasma génèrent un effet de chauffage. En effet, les phénomènes d'induction créent un courant électrique de forte intensité. Lorsque ce courant circule dans le plasma, les électrons et les ions sont excités et entrent en collision. Ces collisions créent une « résistance » qui produit à son tour de la chaleur mais, paradoxalement, quand la température du plasma augmente, cette résistance, et donc l'effet de chauffage qu'elle produit, diminuent. La chaleur transférée par ce courant de haute intensité — le « chauffage ohmique » — ne dépasse pas une certaine intensité. Pour obtenir des températures encore plus élevées et atteindre le seuil à partir duquel la fusion devient possible, il faut utiliser d'autres méthodes de chauffage depuis l'extérieur du tokamak.
Le chauffage du combustible par injection de neutres revient en quelque sorte à chauffer du lait, ou tout autre liquide, avec la vapeur d'un percolateur de café professionnel à haute pression. Des injecteurs « tirent » dans le plasma des particules électriquement neutres et très énergétiques. Par le biais de multiples collisions, celles-ci transfèrent leur énergie aux particules de plasma. (Click to view larger version...)
Le chauffage du combustible par injection de neutres revient en quelque sorte à chauffer du lait, ou tout autre liquide, avec la vapeur d'un percolateur de café professionnel à haute pression. Des injecteurs « tirent » dans le plasma des particules électriquement neutres et très énergétiques. Par le biais de multiples collisions, celles-ci transfèrent leur énergie aux particules de plasma.
Pour porter le plasma d'ITER à la température recherchée, deux grandes techniques de chauffage externes, l'injection de neutres et les ondes électromagnétiques à haute fréquence, interviendront en complément du chauffage ohmique.

L'injection de neutres consiste à « tirer » des particules à haute énergie dans le plasma. À l'extérieur du tokamak, des particules de deutérium chargées sont accélérées jusqu'au niveau d'énergie nécessaire. Ces ions accélérés traversent ensuite un « neutralisateur de faisceaux d'ions » qui élimine leur charge électrique. Les particules neutres peuvent alors pénétrer à grande vitesse au cœur même du plasma au sein duquel, par le biais de collisions rapides, elles transfèrent leur énergie aux particules déjà présentes dans le plasma.

Cette technique permet de transférer au plasma des millions de watts de puissance calorifique et de porter ainsi sa température à un niveau plus proche de celui que requièrent les réactions de fusion. Une troisième source de chaleur, les ondes électromagnétiques à haute fréquence, sera intégrée à la conception du tokamak ITER pour faire monter la température jusqu'aux 150 millions de degrés Celsius requis.

Comme les micro-ondes du four du même nom communiquent la chaleur aux aliments, l'énergie transportée par les ondes à haute fréquence qui pénètrent dans le plasma est transférée aux particules chargées. Elles accélèrent ainsi leurs mouvements chaotiques et augmentent leur température. Se fondant sur ce principe, ITER utilisera trois types d'ondes, correspondant chacune à une certaine fréquence des ions et des électrons du plasma, de manière à maximiser le transfert de chaleur.

Les effets du chauffage ohmique, de l'injection de neutres et des ondes à haute fréquence se cumuleront dans le tokamak ITER pour porter le plasma à la température à laquelle les réactions de fusion deviennent possibles. À terme, les chercheurs espèrent obtenir un « plasma en combustion », dans lequel l'énergie des noyaux d'hélium produits par la réaction de fusion suffira à entretenir la réaction. Il deviendra alors possible de minimiser le recours aux méthodes de chauffage externes, voire de s'en passer totalement. L'obtention d'un plasma en combustion générant de lui-même au moins 50 % de l'énergie nécessaire à la réaction de fusion est une étape déterminante sur la voie de la production d'énergie de fusion.