Fonctionnement des réacteurs à fusion Tokamak – et où nous en sommes

La machine qui met une étoile en bouteille

Depuis plus de sept décennies, les scientifiques poursuivent une idée d'une simplicité trompeuse : reproduire le processus qui alimente le soleil et récolter une énergie propre et pratiquement illimitée. Le dispositif phare dans cette quête est le tokamak – une machine en forme de donut qui utilise des champs magnétiques pour confiner un plasma chauffé à des centaines de millions de degrés. Avec plusieurs tokamaks majeurs en construction ou approchant du premier plasma, l'ère tant promise de l'énergie de fusion est plus proche que jamais.

Qu'est-ce qu'un Tokamak ?

Le nom vient d'un acronyme russe – toroidal'naya kamera s magnitnymi katushkami – signifiant « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ». Conçu dans les années 1950 par les physiciens soviétiques Andrei Sakharov et Igor Tamm, le tokamak s'est rapidement avéré être le moyen le plus efficace de contenir le plasma de fusion et reste la conception dominante dans le monde entier.

En son cœur, un tokamak est une cuve à vide creuse en forme d'anneau entourée d'aimants supraconducteurs. Ces aimants génèrent des champs qui se chevauchent – toroïdal (s'étendant sur la longueur de l'anneau) et poloïdal (s'étendant sur la largeur) – qui se tordent ensemble en une cage hélicoïdale, maintenant le plasma surchauffé en suspension loin des parois de la cuve.

Comment ça marche, étape par étape

Tout d'abord, l'air et les impuretés sont pompés hors de la chambre à vide. Une infime quantité de combustible à hydrogène – généralement du deutérium et du tritium, deux isotopes lourds de l'hydrogène – est injectée sous forme de gaz. Un puissant courant électrique ionise le gaz, arrachant les électrons des noyaux et créant un plasma.

Des systèmes de chauffage auxiliaires poussent ensuite le plasma à des températures de fusion : entre 150 et 300 millions de °C, soit environ dix fois plus chaud que le cœur du soleil. Les méthodes comprennent l'injection de faisceaux neutres, qui projettent des particules de haute énergie dans le plasma, et le chauffage par radiofréquence, qui injecte de l'énergie de type micro-ondes.

À ces températures extrêmes, les noyaux de deutérium et de tritium surmontent leur répulsion électrique naturelle et fusionnent, produisant un noyau d'hélium, un neutron de haute énergie et une bouffée d'énergie. Les neutrons s'échappent de la cage magnétique, frappent une couverture environnante et convertissent leur énergie cinétique en chaleur – qui peut ensuite entraîner une turbine à vapeur conventionnelle pour générer de l'électricité.

Pourquoi les aimants sont la clé

Le plasma à des températures de fusion vaporiserait tout matériau qu'il toucherait. La solution du tokamak est d'utiliser le magnétisme au lieu des parois. Plus le champ magnétique est fort, plus le confinement du plasma est étroit – et plus la machine peut être petite tout en atteignant les conditions de fusion. Cette idée a entraîné une révolution dans les aimants supraconducteurs à haute température (HTS), qui génèrent des champs beaucoup plus forts que les anciens supraconducteurs en cuivre ou à basse température.

Commonwealth Fusion Systems, une spin-off du MIT, a construit l'aimant de fusion HTS le plus puissant au monde en 2021, produisant un champ de 20 teslas. Cette percée a permis la conception de SPARC, un tokamak compact qui vise à produire 140 MW de puissance de fusion tout en étant une fraction de la taille des conceptions antérieures.

Où nous en sommes

Deux projets phares ancrent le paysage actuel de la fusion. ITER, le mégaprojet international dans le sud de la France soutenu par 35 nations, a achevé tous ses aimants supraconducteurs – y compris un solénoïde central suffisamment puissant pour soulever un porte-avions – et vise le premier plasma vers 2033–2034. Une fois opérationnel, le volume de plasma d'ITER sera six fois plus grand que celui de tout tokamak existant.

Du côté privé, CFS assemble SPARC à Devens, Massachusetts, avec le premier plasma prévu en 2026–2027 et l'objectif de démontrer un gain d'énergie net peu de temps après. La société a levé près de 3 milliards de dollars, avec le soutien de Google et Nvidia, et prévoit de construire ARC, sa première centrale électrique commerciale, au début des années 2030.

Ils ne sont pas seuls. Environ 50 entreprises privées poursuivent actuellement la fusion commerciale, et plusieurs – dont TAE Technologies et General Fusion – lancent de nouvelles machines de démonstration. La plupart des experts situent des échéances réalistes à 2030–2035 pour les premières centrales commerciales fournissant de l'électricité aux réseaux.

Les défis restants

Les obstacles techniques restent importants. Les composants faisant face au plasma doivent résister à un bombardement extrême de neutrons pendant des années sans se dégrader. Le tritium, l'un des deux combustibles, est radioactif et rare – les futurs réacteurs devront le produire à partir de couvertures de lithium entourant le plasma. Et aucun tokamak n'a encore maintenu un plasma en combustion suffisamment longtemps pour générer de l'électricité en continu.

Pourtant, le rythme des progrès s'est considérablement accéléré. La fusion passe d'une expérience de physique à un défi d'ingénierie – et les machines qui se précipitent pour le résoudre prennent déjà forme.