Réactions de fusion dans les étoiles

Confinement magnétique

Dans le confinement magnétique, les particules et l’énergie d’un plasma chaud sont maintenues en place grâce à des champs magnétiques. Une particule chargée dans un champ magnétique subit une force de Lorentz qui est proportionnelle au produit de la vitesse de la particule et du champ magnétique. Cette force fait tourner les électrons et les ions en spirale autour de la direction de la ligne de force magnétique, confinant ainsi les particules. Lorsque la topologie du champ magnétique produit un puits magnétique effectif et que l’équilibre de pression entre le plasma et le champ est stable, le plasma peut être confiné loin des frontières matérielles. La chaleur et les particules sont transportées à la fois le long et à travers le champ, mais les pertes d’énergie peuvent être évitées de deux manières. La première consiste à augmenter l’intensité du champ magnétique à deux endroits le long de la ligne de champ. Les particules chargées contenues entre ces deux points peuvent être réfléchies dans les deux sens, un effet appelé « miroir magnétique ». Dans un système fondamentalement rectiligne avec une région de champ magnétique intensifié à chaque extrémité, des particules peuvent encore s’échapper par les extrémités en raison de la diffusion entre les particules à l’approche des points de réflexion. Ces pertes aux extrémités peuvent être totalement évitées en créant un champ magnétique selon la topologie d’un tore (c’est-à-dire la configuration d’un beignet ou d’une chambre à air).

Des aimants externes peuvent être disposés pour créer une topologie de champ magnétique permettant un confinement stable du plasma, ou ils peuvent être utilisés conjointement avec des champs magnétiques générés par des courants induits à circuler dans le plasma lui-même. À la fin des années 1960, l’Union soviétique a réalisé une avancée majeure dans l’exploitation des réactions de fusion pour la production pratique d’énergie. Les scientifiques soviétiques ont atteint une température élevée du plasma (environ 3 000 000 K), ainsi que d’autres paramètres physiques, dans une machine appelée tokamak (voir figure). Un tokamak est un système de confinement magnétique toroïdal dans lequel le plasma est maintenu stable à la fois par un champ magnétique externe en forme de beignet et par des courants électriques circulant dans le plasma. Depuis la fin des années 1960, le tokamak est le principal centre d’intérêt de la recherche sur la fusion magnétique dans le monde, bien que d’autres approches telles que le stellarator, le tore compact et le pincement à champ inversé (RFP) aient également été étudiées. Dans ces approches, les lignes de champ magnétique suivent une trajectoire hélicoïdale, ou en forme de vis, lorsque les lignes de force magnétique se déplacent autour du tore. Dans le tokamak, le pas de l’hélice est faible, de sorte que les lignes de champ s’enroulent librement autour de la direction poloïdale (à travers le trou central) du tore. En revanche, les lignes de champ des DP s’enroulent de manière beaucoup plus serrée, s’enroulant de nombreuses fois dans la direction poloïdale avant de compléter une boucle dans la direction toroïdale (autour du trou central).

Le plasma confiné magnétiquement doit être chauffé à des températures auxquelles la fusion nucléaire est vigoureuse, généralement supérieures à 75 000 000 K (équivalent à une énergie de 4 400 eV). Ceci peut être réalisé en couplant des ondes radiofréquences ou des micro-ondes aux particules du plasma, en injectant des faisceaux énergétiques d’atomes neutres qui deviennent ionisés et chauffent le plasma, en comprimant magnétiquement le plasma, ou par le chauffage ohmique (également connu sous le nom de chauffage Joule) qui se produit lorsqu’un courant électrique traverse le plasma.

Employant le concept de tokamak, les scientifiques et les ingénieurs des États-Unis, d’Europe et du Japon ont commencé au milieu des années 1980 à utiliser de grands dispositifs expérimentaux de tokamak pour atteindre des conditions de température, de densité et de confinement de l’énergie qui correspondent maintenant à celles nécessaires à la production pratique d’énergie de fusion. Les machines utilisées pour obtenir ces résultats comprennent le Joint European Torus (JET) de l’Union européenne, le Tokamak-60 japonais (JT-60) et, jusqu’en 1997, le Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) aux États-Unis. En effet, tant dans le TFTR que dans le JET, les expériences utilisant du deutérium et du tritium ont produit plus de 10 mégawatts de puissance de fusion et des conditions d’équilibre énergétique dans le plasma lui-même. Des conditions de plasma proches de celles obtenues dans les tokamaks ont également été obtenues dans de grandes machines stellarator en Allemagne et au Japon au cours des années 1990.