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20 mars 2019 | La Revue POLYTECHNIQUE 01/2019 | Physique nucléaire

Un record mondial pour un stellarator

Dans le cadre de leur dernière expérimentation sur l’installation de fusion nucléaire Wendelstein 7-X, située à Greifswald, au nord de l’Allemagne, les scientifiques ont atteint des températures et densités de plasma plus importantes, des impulsions plus longues, et ont enregistré le record mondial d’un stellarator pour un produit de fusion.
L’installation de fusion Wendelstein 7-X – la plus grande au monde du type stellarator – avait été équipée d’un revêtement interne en septembre 2017. Des carreaux de faïence en graphite recouvrent désormais la paroi de la cuve, ce qui rend possible des températures plus élevées du plasma et des décharges plus longues. Par ailleurs, la pureté et la densité du plasma sont désormais ajustées grâce au diverteur. Les scientifiques ont également obtenu les premières confirmations concernant leurs calculs d’optimisation pour l’installation de fusion de l’Institut Max-Planck de physique des plasmas (IPP) de Greifswald.

«Les premières expériences avec les nouveaux éléments de la paroi sont très positives», a déclaré le professeur Thomas Sunn Pedersen de l’IPP. En effet, si les durées d’impulsion obtenues lors de la première campagne, entre décembre 2015 et mars 2016, étaient de six secondes, elles peuvent désormais atteindre 26 secondes. Cela permet d’injecter dans le plasma une énergie thermique de 75 MJ, ce qui est dix-huit fois plus que lors de la première phase de fonctionnement, sans diverteur. La puissance thermique a elle aussi pu être augmentée, ce qui est une condition pour obtenir une densité de plasma plus élevée.
 
Coup d’œil à l’intérieur de la cuve du plasma de l’installation de fusion Wendelstein 7-X, à l’Institut Max-Planck de physique des plasmas de Greifswald. Les tulles en graphite recouvrent toute la chambre plasmatique. (Source: IPP, Jan Michael Hosan)
 
 

L’état de plasma en combustion est proche
D’après l’IPP, une valeur record a été atteinte pour le produit de fusion. Ce produit de la température des ions, de la densité du plasma et de la durée de confinement de l’énergie montre que l’état de plasma en combustion est proche. Pour une température d’ions d’environ 40 millions de degrés et une densité de 0,8 x 1020 particules par mètres cube, le Wendelstein 7-X atteint un produit de fusion de 6 x 1026 degrés par seconde et par mètre cube, un record mondial pour un stellarator.
«Il s’agit d’une valeur exceptionnelle au vu de la taille de la machine, qui a par ailleurs pu être obtenue dans des conditions réalistes, c’est-à-dire avec une température élevée des ions contenus dans le plasma»,explique Thomas Sunn Pedersen. La durée de confinement de l’énergie obtenue – de 200 millisecondes –, qui témoigne de la qualité de l’isolation thermique du plasma confiné magnétiquement, indique que le calcul d’optimisation sur lequel se base le réacteur est réaliste.
 
Un courant bien maîtrisé
L’évaluation des données de mesure de la première campagne d’expérimentations de 2015/2016, publiée dans le magazine Nature Physics en mai 2018, montre que l’optimisation n’a pas une influence uniquement sur l’isolation thermique. Les analyses indiquent que le courant auto-amorcé, dit «de bootstrap», se comporte lui aussi comme ce qui était attendu.
Généré par des différences de pression à l’intérieur du plasma, ce courant électrique est capable de déformer le champ magnétique pourtant créé sur mesure. Les particules situées sur le bord du plasma ne se rencontrent plus aux bons endroits du diverteur, si bien que ce courant auto-amorcé doit être maintenu aussi faible que possible dans les stellarators. Or l’analyse confirme que cela a effectivement été accompli dans la géométrie de champ optimisée.
L’auteur principal, Andreas Dinklage, a déclaré à ce sujet: «La première campagne d’expérimentations a ainsi déjà pu attester des aspects majeurs de l’optimisation». Les futures expérimentations permettront d’aboutir à une évaluation exacte et systématique pour une puissance thermique sensiblement plus élevée et une pression de plasma elle aussi plus importante.
 
Les transformations réalisées
De nouvelles transformations ont été réalisées sur le stellarator de Greifswald depuis fin 2017. De nouveaux appareils de mesure et systèmes de chauffage ont notamment été installés. Les expérimentations sur le plasma devraient recommencer rapidement. D’après l’IPP, une transformation importante est prévue à compter de l’automne 2018.
Les carreaux de faïence en graphite du diverteur doivent être remplacés par des éléments renforcés de fibres de carbone, qui peuvent être refroidis à l’eau. Ces éléments permettront d’atteindre des décharges allant jusqu’à 30 minutes, ainsi que des températures et des densités plasmatiques plus élevées. Les scientifiques souhaitent ainsi vérifier que le stellarator peut également atteindre ses objectifs d’optimisation dans la durée.
 
Le réacteur expérimental à fusion nucléaire Wendelstein 7-X de type stellarator.
 

 
Objectif: un fonctionnement continu
Bien que le stellarator ne produise pas d’énergie, l’installation doit permettre de démontrer l’aptitude de ce type de construction pour de futures centrales. Le réacteur Wendelstein 7-X doit permettre, pour la première fois, d’atteindre une qualité de confinement du plasma dans un stellarator, qui soit comparable à celle d’installation concurrentes de type tokamak. L’installation doit notamment mettre en évidence l’atout majeur des stellarators, à savoir leur capacité de fonctionnement continu.
Bien qu’il ne puisse égaler la puissance d’un tokamak, le stellarator Wendelstein 7-X se montre très prometteur au regard de ses derniers résultats. Toutefois, un long travail attend encore les chercheurs, tant sur la température que la durée du confinement. En effet, pour parvenir à faire fusionner des atomes, une température d’au moins 100 millions de degrés est requise, température qui doit être maintenue de manière stable et uniforme pour pouvoir enclencher les réactions de fusion.
Source: M.B./C.B. d’après un communiqué de presse de l’IPP du 25 juin 2018

 
Le stellarator
Le stellarator est un dispositif destiné à la production de réactions contrôlées de fusion nucléaire. Dans cette machine, le confinement du plasma est réalisé par un champ magnétique hélicoïdal créé par l’arrangement complexe de bobines autour du tore, alimentées en courants forts. Le stellarator est analogue au tokamak, à la différence qu’il n’utilise pas de courant toroïdal circulant à l’intérieur du plasma pour le confiner.
L’avantage du stellarator sur le tokamak est sa régularité. En effet, le stellarator fonctionne avec une alimentation électrique des deux composantes du champ magnétique de confinement en continu, alors que les tokamaks intègrent un champ magnétique poloïdal produit en faisant circuler un courant électrique alternatif intense au sein même du plasma.
Le stellarator est un des premiers dispositifs de fusion contrôlée, dont le concept date 1950. Il a été laissé de côté dans les années 1970 quand le tokamak a donné de bien meilleurs résultats, mais les difficultés rencontrées par celui-ci ont relancé les recherches sur le stellarator à partir des années 1990.
 

Le diverteur
Le diverteur est un dispositif qui, dans une configuration magnétique toroïdale, modifie localement les lignes de champ au bord du plasma, permettant ainsi d’en extraire des déchets de particules pendant le fonctionnement du réacteur. Il permet de contrôler la formation de produits de fusion dans le combustible et d’éliminer les impuretés dans le plasma, qui auraient pénétré dans le revêtement de la cuve.
 

Le réacteur Wendelstein 7-X
Le Wendelstein 7-X est un réacteur expérimental à fusion nucléaire de type stellarator, dont la construction à Greifswald, en Allemagne, par l’Institut Max-Planck de physique des plasmas, s’est achevée en octobre 2015. C’est un réacteur de type stellarator, c’est-à-dire que le plasma produit est confiné par un champ magnétique hélicoïdal généré par trois bobines alimentées, situées autour du tore (bobines poloïdales). Son objectif est d’évaluer les principaux composants d’un futur réacteur à fusion construit selon la technologie stellarator, bien qu’il ne soit pas lui-même générateur d’énergie.
Un anneau composé de 50 bobines magnétiques supraconductrices d’environ 3,5 m de long compose la cage magnétique du réacteur Wendelstein 7-X. Les formes spécifiques de ces bobines sont le fruit de calculs d’optimisation poussés.