L’intérieur du stellarator Wendelstein 7X, photographié en 2011 lors de sa construction. Wolfgang Filser/IPP.

Tokamak contre stellarator, ce pourrait être un duel digne des films de monstres japonais. Il n’en est rien : il s’agit en fait du nom de deux technologies de réacteurs actuellement à l’étude pour reproduire et maîtriser la fusion nucléaire, la réaction qui fait briller les étoiles. Toutes deux viennent récemment de faire parler d’elles. Deux expériences reposant sur un tokamak en Chine et un stellarator en Allemagne ont réussi à générer et à maintenir pendant un certain laps de temps deux plasmas extrêmement chauds, étape cruciale pour établir la réaction de fusion.

Pour recréer ce qui se passe au cœur du Soleil, il faut fusionner deux atomes lourds d’hydrogène, le deutérium et le tritium, ce qui libère une quantité phénoménale d’énergie. Comme pour deux amoureux, la rencontre doit se faire dans des conditions favorables. A cette fin, les physiciens créent donc un plasma, un « quatrième état de la matière dans lequel les atomes perdent leurs électrons » , comme le dit Yves Martin, adjoint du directeur du Swiss Plasma Center à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse). Les électrons arrachés ne vont pas bien loin : on qualifie souvent le plasma de « soupe » constituée des noyaux des atomes et des électrons.

Soupe très chaude

La suite de la recette ? La soupe doit être chauffée à 100 millions de degrés, soit sept fois plus chaud que la température du cœur du Soleil. Pour confiner ces plasmas infernaux sans subir de dommages, deux types d’enceintes ont vu le jour : les tokamaks et les stellarators. Ces instruments impressionnants utilisent des champs magnétiques à haute intensité pour maintenir le plasma en place.

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Inventé dans les années 1950, le tokamak a une forme de gros donut. Cette technologie de confinement est celle qui a été retenue pour la construction de l’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), le projet international de réacteur à fusion en cours de construction en France. Des physiciens du tokamak EAST, à Hefei, en Chine, sont parvenus au début de février à maintenir un plasma de 50 millions de degrés durant cent deux secondes. Une telle température est régulièrement atteinte dans les tokamaks, et Yves Martin fait d’ailleurs remarquer que « des plasmas de 170 millions de degrés ont déjà été créés dans le tokamak TCV à l’EPFL ». En revanche, maintenir le plasma aussi longtemps constitue une belle performance. « Il semblerait que cette équipe soit parvenue à maîtriser le moyen de maintenir le courant dans le plasma, c’est de bon augure pour les recherches sur ITER », se réjouit le physicien, qui rappelle que la Chine fait partie du consortium.

A l’autre bout du monde, c’est la technologie cousine du tokamak, le stellarator, qui a récemment été sous le feu des projecteurs. Le 3 février à Greifswald, en Allemagne, le stellarator Wendelstein 7X (W7X) a créé un plasma d’hydrogène de 100 millions de degrés. Le tout sous les yeux d’Angela Merkel, par ailleurs physicienne de formation. Le phénomène a duré moins d’une seconde, mais il s’agissait des premiers plasmas créés dans cette machine.

« Donut » écrasé

Un stellarator ressemble aussi à un donut, mais écrasé. Sa particularité : d’étranges bobines tordues l’entourent, ce sont elles qui génèrent les champs magnétiques de confinement. « Le W7X possède une cinquantaine de bobines à la géométrie complexe, explique Yves Martin. Elles donnent l’impression d’une forme cabossée, mais derrière cette apparente anarchie se cachent un ordre et une symétrie complexes. » Cette géométrie biscornue complique énormément la construction des stellarators. Mais en contrepartie, les plasmas obtenus sont beaucoup plus stables, signale Yves Martin. Difficile à construire, facile à utiliser : voilà comment résumer l’essence du stellarator.

Dans cette expérience les physiciens de l’Institut Max-Planck de physique ont bombardé les atomes d’hydrogène lourd avec des micro-ondes. Résultat, les électrons se sont mis à chauffer jusqu’à 100 millions de degrés et ont ensuite, par transfert de chaleur, chauffé les atomes aux alentours à 15 millions de degrés.

« Disons que le W7X est allé au-delà de nos attentes les plus raisonnables », dit Thomas Klinger, le chef de l’expérience. Si cela n’a duré qu’une fraction de seconde, explique-t-il, c’est parce que des particules du plasma sont passées à travers le champ magnétique : elles ont alors arraché des atomes métalliques de la paroi du stellarator qui ont vampirisé l’énergie du plasma et l’ont fait effondrer. « Comme n’importe quel isolant, le champ magnétique n’est pas totalement imperméable, il y a toujours des particules qui passeront au travers. Tout l’enjeu est donc d’améliorer ce point. »

Lequel de ces deux donuts parviendra le mieux à confiner ces plasmas ? La feuille de route sur la fusion nucléaire établie par l’Union européenne prévoit de toute façon le développement des deux technologies, qui sont loin d’être des concurrentes. Le stellarator a pour objectif, après quelques extensions (notamment l’installation de systèmes de refroidissement liquide), le maintien d’un plasma durant trente minutes. Quant à l’ITER, une fois que sa construction sera achevée, en 2020, le plus grand tokamak au monde devra prouver que l’on peut vraiment tirer une électricité abondante de la fusion nucléaire. L’étape suivante — et finale — étant la mise en service d’un premier réacteur commercial, Demo (Demonstration Power Plant), d’ici à 2050.