Trois, deux, un... Voici un plasma! L'intérieur du tokamak européen JET avant et pendant son fonctionnement. Photo: EFDA, JET.
La discipline scientifique qui est au cœur de la fusion est la physique des plasmas.
Lorsqu'un gaz est soumis à des températures extrêmes, les électrons sont séparés des noyaux et le gaz se transforme en
plasma, le quatrième état de la matière. Un plasma est un gaz chaud composé de particules chargées (noyaux positifs et électrons négatifs). C'est un environnement ténu, près d'un million de fois moins dense que l'air que nous respirons. La plasma fournit l'environnement dans lequel des éléments légers peuvent fusionner et générer de l'énergie.
Trois conditions doivent être remplies pour obtenir la fusion au laboratoire : une température très élevée (pour provoquer des collisions fortement énergétiques), une densité de particules de plasma suffisante (pour augmenter la probabilité des collisions) et un temps de confinement suffisant (pour maintenir le plasma, qui a tendance à se dilater, dans un volume défini).
Dans le cas d'ITER, la réaction de fusion se produira dans un tokamak, une machine qui utilise des champs magnétiques pour confiner et contrôler le plasma chaud. La fusion du deutérium et du tritium (D-T) produira un noyau d'hélium, un neutron et de l'énergie.
Plus de 99 % de l'Univers se trouve à l'état de plasma, notamment la matière interstellaire, les étoiles et le Soleil. Des exemples de plasma sur la Terre ? Les tubes de néon, les éclairs, les aurores boréales et l'éclat des téléviseurs à écran plasma.
Le noyau d'hélium est porteur d'une charge électrique. Il sera donc soumis aux champs magnétiques du tokamak et restera ainsi confiné dans le plasma. Toutefois, 80 % environ de l'énergie produite sera emportée hors du plasma par le neutron qui, n'étant pas chargé électriquement, demeurera insensible aux champs magnétiques. Les neutrons seront absorbés par les parois du tokamak, transférant leur énergie à ces dernières sous forme de chaleur.
Dans l'installation ITER, cette chaleur sera évacuée par des tours de refroidissement. Dans le prototype de réacteur de fusion (DEMO), qui succédera à ITER, ainsi que dans les futures installations industrielles de fusion, la chaleur sera utilisée pour produire de la vapeur et, au moyen de turbines et d'alternateurs, de l'électricité.
Le potentiel énergétique des réactions de fusion est supérieur à toutes les autres sources d'énergie actuellement exploitée sur Terre. La fusion d'atomes d'une manière contrôlée libère une énergie près de quatre millions de fois supérieure à celle que génèrent des réactions chimiques telles que la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel et quatre fois supérieure à celle de la fission nucléaire.
