L’énergie de fusion semble être un objectif sans cesse hors de portée, mais grâce à de nouvelles idées et à du matériel plus performant, les scientifiques se rapprochent lentement de maîtriser la puissance des étoiles. Cependant, certains physiciens testent une autre combinaison : du meilleur équipement pour une idée ancienne.
Des physiciens ont récemment rendu compte de la démonstration expérimentale réussie de la propulsion par courant helicon sur le site national de fusion DIII-D. Proposée pour la première fois dans les années 1980, la propulsion par courant helicon fait appel à un type particulier d’onde radiofréquence à haute fréquence pour impulser le plasma chaud d’un réacteur à fusion, générant un courant électrique interne servant à stabiliser la réaction. Or, à l’époque, l’équipement disponible n’était pas en mesure de concrétiser la théorie, ce qui avait conduit à mettre l’idée de côté jusqu’à maintenant. Grâce à des avancées majeures dans l’équipement des réacteurs, les chercheurs ont pu tester et démontrer avec succès la propulsion par courant helicon pour la première fois.
L’étude a été publiée récemment dans Physical Review Letters, et décrit les résultats obtenus dans ce domaine prometteur.
La clé d’une fusion ininterrompue
La plupart des configurations de fusion les plus avancées reposent sur un tokamak, une machine en forme de beignet qui confine le plasma à l’aide de champs magnétiques. Un ensemble de bobines magnétiques produit un champ toroïdal qui circule sur la circonférence du beignet, tandis qu’un aimant porteur de courant, appelé solénoïde, génère un second champ magnétique le long de la circonférence courte du beignet, selon une explication du Département américain de l’Énergie.
Cependant, comme l’a expliqué, dans Gizmodo, la durée opérationnelle du tokamak est « intrinsèquement limitée » dans son fonctionnement — la longueur des impulsions — car le courant du plasma est induit par une configuration comparable à un transformateur. À un certain moment, le solénoïde doit être réinitialisé et le plasma doit être éteint. Cela crée inévitablement des discontinuités dans la durée pendant laquelle un tokamak peut fonctionner. Par exemple, l’impulsion du tokamak DIII-D est limitée à environ 10 secondes. Des réacteurs plus grands peuvent soutenir ces impulsions pendant environ 500 secondes (8 minutes) ou même 1 000 secondes (17 minutes), a-t-on précisé.
En fin de compte, ces réacteurs tokamak fonctionnant ainsi ne peuvent pas être exploités en « état stationnaire », ce qui, selon la plupart des études de conception, est nécessaire pour leur viabilité commerciale. Par conséquent, les chercheurs ont exploré ce que l’on appelle des méthodes non inductives pour conduire le courant dans le tokamak en utilisant différentes ondes électromagnétiques.
« Ainsi, la propulsion par courant helicon ne constitue pas une approche différente de l’énergie de fusion », a expliqué un chercheur. « Elle représente plutôt une autre technologie qui peut être appliquée au tokamak pour renforcer cette voie. »
Une théorie en avance sur son temps
L’idée derrière ces méthodes, selon les chercheurs, est d’introduire de l’énergie radiofréquence dans le tore afin d’exciter certains types d’ondes dans le plasma. Ces ondes entrent alors en résonance avec les électrons, qui se voient poussés et génèrent un courant. Cette approche a été démontrée sur plusieurs tokamaks. Cependant, l’approche employée dans l’expérience pouvait avoir du mal à pénétrer plus profondément dans le plasma, ont expliqué les chercheurs.
Les théoriciens avaient émis l’hypothèse qu’un autre type d’onde radio dans la même plage de fréquences — appelée helicon — pourrait résoudre ces problèmes. Selon l’auteur principal d’origine du concept, il y avait trois raisons majeures pour lesquelles les choses n’avaient pas fonctionné dans les années 80. Premièrement, les plasmas dans les tokamaks de l’époque n’étaient pas suffisamment « semblables à un réacteur » pour absorber correctement les ondes helicon. Deuxièmement, la technologie de lancement des ondes n’était pas assez efficace. Enfin, les techniques de diagnostic n’étaient pas suffisamment avancées pour permettre de vérifier les courants non inductifs dans le plasma.
« Tous ceux qui l’ont essayé dans les années 80 espéraient un miracle », explique-t-on dans une interview accordée à l’American Nuclear Society (ANS). « Nous espérions que cette partie du modèle était fausse. Le problème a toujours été que nous n’avions pas de réacteur autour pour le tester. »
Les prédictions prennent vie
Mais au cours des décennies qui ont suivi, le domaine a connu des changements spectaculaires. Dès 2014, des chercheurs ont préparé la relance de l’ancienne théorie, et une nouvelle série d’expériences a commencé à l’été 2024. À DIII-D, une antenne spécialisée appelée « comb-line » pouvait lancer les ondes helicon vers des plasmas suffisamment chauds pour les absorber. De plus, les progrès en matière de techniques de mesure ont permis à l’équipe d’observer leurs expériences d’un regard encore plus précis.
En résumé, cette fois, cela a fonctionné. L’équipe a clairement identifié le chauffage du plasma résultant de l’absorption de l’onde helicon, a-t-on déclaré à l’ANS. Mais avant de s’enflammer, les chercheurs ont pris des précautions supplémentaires pour valider les évaluations statistiques. Selon l’ANS, ils « sont allés jusqu’aux extrêmes pour s’assurer de ne pas être accusés de choisir des résultats favorables et de montrer un seul tir accidentel qui aurait eu un grand effet ».
Dans quelques années
Les résultats semblent impressionnants, mais le chemin reste long, ont averti les chercheurs. Le DIII-D est une installation expérimentale qui ne peut pas reproduire des conditions « semblables à celles d’un réacteur », pour lesquelles la propulsion par courant helicon offrira le plus grand potentiel, ont précisé les auteurs. « Comme tout bon expérience, nos résultats suggèrent de nombreuses pistes pour des travaux futurs et soulèvent un certain nombre de questions à explorer », ajoutent-ils. « La manière la plus directe d’obtenir une amélioration significative serait d’augmenter considérablement la puissance que nous pouvons injecter dans les ondes helicon dans le plasma. »
En bref — comme pour la plupart des recherches sur la fusion — seul l’avenir dira ce qu’il en est. Mais ces nouvelles découvertes prouvent qu’avec le temps, la science finit par trouver un chemin. Et c’est une idée prometteuse, à mes yeux.
