Grâce à une nouvelle pièce, le réacteur expérimental coréen a réussi à maintenir un plasma stable et une température infernale pendant une durée record. Une bonne nouvelle pour ITER, qui bénéficiera directement de ces progrès.

Un plasma dans le tokamak coréen KSTAR.

Le KSTAR, un des réacteurs à fusion nucléaire expérimentaux les plus productifs de la planète, vient de frapper un grand coup : les chercheurs coréens ont réussi à maintenir une température de 100 millions de degrés Celsius pendant près d'une minute. Un record époustouflant qui semblait encore totalement hors de portée il y a quelques années à peine.

Tout l'enjeu de la fusion nucléaire contrôlée, c'est de générer un plasma, un état de la matière où les électrons des atomes sont arrachés à leur noyau et se promènent librement, pour que leurs noyaux puissent fusionner. Or, la seule manière d'y parvenir, c'est de pousser le thermomètre à des niveaux extrêmes pour que les atomes puissent se percuter avec une violence phénoménale, comme ils le font naturellement dans la fournaise des étoiles.

Mais notre Soleil, par exemple, dispose d'un avantage significatif : sa masse énorme, et par extension, la densité exceptionnelle de son cœur qui favorise grandement les collisions entre les atomes. Or, nous ne sommes absolument pas capables de compresser des particules à ce point. Pour compenser cette différence afin d'obtenir un plasma, il faut donc pousser la température à des niveaux encore plus importants, typiquement entre 80 et 150 millions de degrés Celsius pour la plupart des tokamaks actuels.

Les étoiles comme notre Soleil sont alimentées par des réactions de fusion nucléaires... mais les reproduire en laboratoire est tout sauf évident.

Un compromis entre la durée et la température
Mais c'est beaucoup plus difficile à faire qu'à faire, même en ignorant le problème du confinement. Pour atteindre de tels chiffres, il faut véritablement bombarder le contenu du réacteur avec un flux incessant de particules à haute énergie et d'ondes électromagnétiques. Et il est excessivement difficile de maintenir un tel régime sur de longues durées tout en préservant la stabilité du plasma.

À l'heure actuelle, nous sommes encore incapables de maintenir un plasma aussi chaud indéfiniment. Il faut donc faire des compromis pour produire autant d'énergie que possible pendant une durée aussi longue que possible.

Certains tokamaks cherchent à pousser la température aussi haut que possible, quitte à accepter de le faire sur des durées de l'ordre de la milliseconde. D'autres ont pris le problème par l'autre bout ; ils se contentent de maintenir une température modeste (toutes proportions gardées), mais sur une durée bien plus longue. On peut citer l'EAST chinois, qui a réussi à maintenir un plasma à 70 millions de degrés pendant 18 minutes en 2022.

Entre les deux, la plupart des engins tentent de trouver un certain équilibre. C'est par exemple le cas du JET anglais, un des précurseurs d'ITER. Il a pris sa retraite en début d'année après avoir réussi à entretenir une réaction de fusion à 150 millions de degrés pendant 5,2 secondes, au lieu des quelques millisecondes traditionnelles.

Le KSTAR rentre aussi dans cette catégorie. Il fonctionne à une température inférieure à celle du JET, mais peut la conserver pendant une période nettement plus longue. En 2022, ses opérateurs ont réussi à maintenir un plasma à 100 millions de degrés pendant 30 secondes - un coup d'éclat retentissant à l'époque. Mais les physiciens coréens se sont encore surpassés en ce début d'année grâce à un changement de matériel.

Une nouvelle pièce pour un double record
En fin d'année dernière, les opérateurs du tokamak ont choisi de remplacer le déviateur, une pièce cruciale des tokamaks qui est positionnée à la frontière du plasma. Son rôle, c'est de moduler la température du cœur tout en redirigeant les particules indésirables qui pourraient menacer la stabilité du plasma.

Auparavant, le déviateur du KSTAR était une grande plaque à base de carbone. Elle a été remplacée par une structure coudée en tungstène, un matériau qui présente deux propriétés très utiles dans ce contexte. Premièrement, il est exceptionnellement résistant à la chaleur ; il présente le point de fusion le plus élevé parmi tous les éléments naturels connus, à savoir 3,399 °C. Et surtout, il n'absorbe pas le deutérium et le tritium qui alimentent la réaction, ce qui lui évite de déstabiliser le plasma.

Korea Institute of Fusion Energy

Au début, ce nouvel élément s'est montré plutôt récalcitrant. « La température de la paroi intérieure du tokamak ne montait pas de façon satisfaisante », explique un des responsables du laboratoire. Mais après quelques mois de mesures et d'ajustements, la donne a complètement changé.

Premièrement, le KSTAR a réussi à maintenir le plasma dans un état dit de « haut confinement », ou H-mode, pendant une durée impressionnante. Il s'agit d'un état extrêmement stable où le système devient très efficient. Dans l'idéal, une centrale à fusion pourrait maintenir un plasma en H-mode indéfiniment. Mais jusqu'à présent, personne n'y était parvenu sur de longues durées, et cet équilibre délicat s'était systématiquement écroulé après quelques secondes au maximum. Les chercheurs coréens, de leur côté, y sont parvenus pendant un total de 102 secondes - un grand pas en avant.

Et grâce à ces conditions favorables, les opérateurs du tokamak ont réussi à battre un autre record de durée : ils ont maintenu le plasma à 100 millions de degrés Celsius pendant un total de 48 secondes ! C'est 60 % de plus que le précédent record à cette température. Là encore, c'est un progrès plus que significatif.

Et ITER, dans tout ça ?
Et ce n'est qu'un début. Grâce à leur déviateur flambant neuf, les chercheurs coréens espèrent bientôt franchir la barre des 50 secondes. Et surtout, ils espèrent pouvoir atteindre l'objectif ultime du programme, à savoir 300 secondes à 100 millions de degrés, d'ici à peine deux ans.

Le tokamak d'ITER.

À la lecture de ces résultats impressionnants, on pourrait se demander si le KSTAR ne va pas rendre ITER obsolète. Après tout, le réacteur du consortium européen n'a toujours pas accouché de son premier plasma, et la construction est en train de se transformer en immense casse-tête logistique. Mais c'est en fait tout le contraire ; le KSTAR n'a aucune intention de faire concurrence au futur joyau européen. Comme le JET et la plupart des autres tokamaks actuels, c'est une plateforme d'expérimentation au service du réacteur de Cadarache ; son objectif principal est justement de faire progresser ce dernier.

Dans ce contexte, toutes les techniques explorées et les données produites par le KSTAR seront précieuses pour la suite du développement. Il conviendra donc de guetter les progrès de tous ces autres tokamaks, et notamment du KSTAR qui est l'un des éclaireurs les plus productifs dans ce domaine, en attendant le premier plasma d'ITER qui devrait arriver d'ici quelques années... à moins qu'il ne soit repoussé une nouvelle fois.