ST40 de Tokamak Energy : le lithium révèle le plasma de fusion en couleurs

Lorsque le tokamak se met en marche, un phénomène presque magique se produit dans les profondeurs de son enceinte renforcée.

Un plasma issu d’hydrogène lourd s’illumine d’un rose éclatant, tout en bouillonnant et en se tortillant dans la chambre en forme de beignet.

De minuscules grains de lithium tombent ensuite dans ce tourbillon. Ils scintillent comme une poussière de fée écarlate avant d’éclater en traînées de lumière jaune-vert intense.

Une caméra couleur à haute vitesse permet d’observer ce processus pendant que le plasma chauffe dans la machine ST40 de Tokamak Energy. L’installation reproduit ainsi certaines des conditions que les futurs tokamaks utiliseront pour faire entrer des noyaux atomiques en collision et produire de l’énergie de fusion, qui pourrait un jour alimenter le monde.

Mais la beauté du spectacle n’est pas son seul intérêt. La fusion des plasmas est encore loin d’être prête pour une application pratique. Suivre la trajectoire du lithium incandescent pourrait aider les physiciens à surmonter l’un des principaux obstacles de cette technologie : évacuer sans danger l’immense chaleur qui s’échappe d’un plasma de fusion.

Le tokamak ST40 face au défi de la chaleur

Pour contraindre les noyaux atomiques à fusionner, un tokamak doit confiner un plasma porté à plusieurs millions de degrés.

Ce confinement est toutefois difficile à maintenir, et une partie de l’énorme énergie qui tourbillonne dans le plasma finit inévitablement par s’en échapper.

Cette chaleur doit bien aller quelque part : les tokamaks sont donc conçus pour en diriger autant que possible vers des composants appelés divertors.

À l’heure actuelle, les expériences menées dans les tokamaks sont relativement courtes. Dans une future centrale à fusion, ces composants devront au contraire supporter longtemps des charges thermiques extrêmes sans se désagréger rapidement.

La charge thermique des divertors constitue un problème si important qu’elle figure parmi les facteurs déterminants dans la conception des futures centrales à tokamak sphérique. Lors d’expériences sur ST40, les chercheurs ont mesuré des flux thermiques atteignant 150 mégawatts par mètre carré.

L’évacuation de la chaleur fait donc partie des questions étudiées avec ST40. Les chercheurs cherchent notamment à savoir s’il est possible d’amener le plasma lui-même à contribuer à cette tâche.

Les tokamaks sont équipés de caméras à haute vitesse et à haute résolution depuis presque aussi longtemps qu’ils existent.

L’imagerie couleur à haute vitesse n’est pas non plus entièrement nouvelle : une caméra couleur a été installée en 2014 sur le tokamak russe T-11M, comme le décrit une étude publiée en 2016.

Cette étude relevait cependant une difficulté notable. La caméra suivait elle aussi le lithium au bord du plasma, mais elle fonctionnait à 1 000 images par seconde. Selon les chercheurs, cette cadence était insuffisante pour suivre l’évolution des filaments de lithium au fil du temps : il aurait fallu dépasser 10 000 images par seconde.

La caméra braquée sur l’intérieur de ST40 enregistre à 16 000 images par seconde.

Comment le lithium aide à observer le plasma de ST40

Les impuretés présentes dans le plasma qui circule rapidement à l’intérieur d’un réacteur à fusion peuvent normalement poser des problèmes importants. Elles accélèrent la perte de chaleur par rayonnement, ce qui refroidit le plasma et risque de perturber les conditions nécessaires à la fusion.

Si ce refroidissement se produit au bon endroit, à la périphérie du plasma, il pourrait toutefois devenir un avantage : la chaleur frappant les divertors diminuerait, tandis que l’intérieur du tore de plasma resterait assez chaud pour maintenir les conditions de fusion.

C’est le principe d’un régime de fonctionnement expérimental appelé radiateur au point X, ou XPR.

Un puissant champ magnétique confine le plasma. Le point X désigne une région de ce champ située près du divertor, où les lignes magnétiques forment une structure caractéristique en X.

En favorisant le rayonnement de l’énergie des impuretés autour de cette région, les physiciens espèrent refroidir le plasma avant qu’il n’atteigne le divertor. Les contraintes subies par ces composants seraient ainsi réduites, sans refroidir le cœur où se produit la fusion.

Le lithium fait partie des matériaux que les physiciens expérimentent pour déterminer comment maîtriser ce refroidissement. Les couleurs spectaculaires observées témoignent de ce processus.

Contrairement à ce que l’on pourrait croire, le plasma coloré filmé par la caméra ne correspond pas à la partie la plus chaude de ST40. Le cœur, porté aux températures de fusion, est trop chaud pour produire la lumière visible observée. La caméra montre en réalité ce qui se passe dans le plasma relativement plus froid qui l’entoure.

La lueur rose provient du deutérium gazeux injecté dans le tokamak, qui émet un mélange de longueurs d’onde rouges et bleues.

Lorsque les minuscules grains de lithium, de la taille de grains de sable, pénètrent dans ces régions extérieures plus froides, les atomes de lithium neutres s’excitent et brillent d’un rouge cramoisi intense.

Mais, à mesure que le lithium s’enfonce dans le plasma plus chaud et plus dense, ses atomes perdent un électron et deviennent des ions lithium chargés positivement. Ces ions Li⁺ émettent une lumière jaune verdâtre caractéristique.

Désormais chargés électriquement, les ions lithium suivent le champ magnétique. Les traînées jaune-vert lumineuses deviennent ainsi un traceur des lignes de champ, autrement invisibles, qui confinent le plasma.

Il serait relativement facile d’obtenir une carte des températures du tokamak, même en noir et blanc. La caméra couleur offre aux physiciens la possibilité de suivre différents atomes et ions dans diverses conditions de plasma, révélant le trajet du lithium et la profondeur à laquelle il pénètre.

Associées à la spectroscopie, qui identifie précisément les longueurs d’onde de la lumière émise, les images à haute vitesse donnent aux physiciens un autre moyen de vérifier si les impuretés rayonnent leur énergie aux endroits souhaités.

Si ce n’est pas le cas, ils peuvent modifier les conditions et recommencer afin d’apprendre à maintenir le refroidissement là où ils le veulent. Ces connaissances pourraient à terme orienter la manière dont les futurs réacteurs à fusion évacueront leur immense chaleur.

Des premiers résultats aux futurs essais sur ST40

Les premiers indices laissent penser que l’approche du radiateur au point X pourrait fonctionner.

Dans des résultats préliminaires issus d’expériences sur ST40, les chercheurs indiquent avoir réussi à créer une région rayonnante qui traverse le point X et refroidit fortement le bord du plasma. Les mesures montrent alors une diminution de la chaleur atteignant le divertor.

Selon les chercheurs, une grande partie du rayonnement observé lors de ces expériences provenait probablement du carbone arraché aux parois du tokamak, plutôt que du lithium introduit volontairement. Des expériences faisant appel au lithium et au néon sont toutefois en cours pour réduire davantage la charge thermique.

La modélisation informatique suggère que le lithium pourrait être particulièrement utile : il serait peut-être possible de le concentrer autour du divertor, là où son effet refroidissant est recherché, sans en laisser remonter suffisamment en amont pour dégrader les performances du cœur du plasma.

Tokamak Energy prévoit d’aller encore plus loin. ST40 fait actuellement l’objet d’une importante modernisation : son revêtement de protection en carbone doit être remplacé par du molybdène, des systèmes destinés à recouvrir de lithium les composants exposés au plasma doivent être installés et de nouveaux instruments de diagnostic doivent permettre d’examiner ce qui se passe au bord du plasma.

Après cela, nous verrons peut-être d’autres couleurs spectaculaires scintiller dans l’enceinte, porteuses d’informations susceptibles de nous rapprocher d’un avenir fondé sur la fusion.

Cet article a été vérifié et révisé par Rebecca Dyer. Bien que nous soyons fiers de notre méthode de travail, nous restons humains. Si vous repérez une erreur, merci de nous la signaler.