L'un des plus grands défis pour produire de l'énergie via la fusion nucléaire réside dans le contrôle du plasma, un état de la matière où les atomes sont chauffés à des températures extrêmes, environ 150 millions de degrés Kelvin pour les réactions deutérium-tritium.
Dans ce contexte, la puissance générée est directement proportionnelle au carré de la densité du plasma. Plus le plasma est dense, plus la production d'énergie est importante. C'est la pierre angulaire de la performance d'un réacteur à fusion.
Un verrou historique saute : la limite de densité
Pendant des décennies, les opérations des tokamaks ont été bridées par une contrainte empirique stricte sur la densité du plasma. Tenter de dépasser cette limite se soldait presque systématiquement par l'apparition d'instabilités violentes.
Ces perturbations peuvent non seulement interrompre la réaction, mais aussi endommager les composants internes du réacteur, représentant un risque opérationnel majeur et un frein considérable à l'amélioration des performances.
Ce plafond de verre a longtemps contraint les scientifiques à trouver un compromis délicat entre température, densité et temps de confinement. Franchir cette barrière sans déclencher de perturbation majeure est donc un objectif poursuivi depuis longtemps par la communauté scientifique internationale, car il conditionne directement la viabilité économique d'un futur réacteur commercial.
La théorie PWSO, une nouvelle perspective
Une approche théorique, baptisée « auto-organisation plasma-paroi » (PWSO en anglais), proposée par des chercheurs du CNRS et de l'Université d'Aix-Marseille, offrait une lueur d'espoir.
Cette théorie postule qu'un régime sans limite de densité pourrait être atteint en trouvant un équilibre subtil entre le plasma et les parois métalliques de l'enceinte du réacteur, notamment dans les configurations où le sputtering physique (l'éjection d'atomes de la paroi) est le mécanisme dominant d'interaction.
Plasma dans le tokamak WEST
Selon ce modèle, au lieu de voir la paroi comme une source de pollution et de pertes, une gestion fine des interactions plasma-paroi dès le démarrage pourrait créer un environnement stable permettant d'augmenter la densité bien au-delà des limites conventionnelles.
Il ne s'agissait cependant que d'une hypothèse théorique, en attente d'une validation expérimentale pour prouver sa pertinence.
La percée expérimentale du réacteur EAST
C'est précisément cette validation qui vient d'être apportée par l'équipe du réacteur EAST. Les scientifiques chinois ont mis au point une stratégie novatrice en combinant un contrôle précis de la pression initiale du gaz combustible avec un chauffage par résonance cyclotronique électronique (ECRH) dès la phase d'allumage.
Cette méthode a permis d'optimiser les interactions plasma-paroi dès les premiers instants de la décharge.
Les résultats ont été spectaculaires : une réduction significative de l'accumulation d'impuretés et des pertes d'énergie, permettant au plasma d'atteindre des densités très élevées de manière stable.
L'équipe a ainsi réussi à accéder pour la première fois à ce fameux régime sans limite de densité prédit par la théorie PWSO. Cette démonstration expérimentale ouvre une voie "pratique et scalable" pour les futurs tokamaks, selon le professeur Zhu Ping, co-directeur de l'étude.
Les prochaines étapes consisteront à appliquer cette méthode à des plasmas en mode de haut confinement sur ce même tokamak, afin d'explorer les implications futures de cette avancée dans des conditions de performance encore plus élevées.
