Les jumeaux numériques deviennent une voie de R&D majeure pour la recherche en fusion

Récemment, un nouvel article a passé en revue les progrès des technologies de jumeaux numériques dans le domaine de la recherche en fusion au cours des cinq dernières années, et a souligné qu'il reste encore plusieurs maillons clés à franchir avant que cette technologie ne puisse aboutir à un modèle complet de jumeau numérique de centrale à fusion.

Simulation du mouvement du tungstène dans le cœur du plasma. Copyright : (F. Jenko et al., 2026, *Nuclear Fusion* 66 116014)

Les jumeaux numériques sont une classe de modèles virtuels capables de refléter la structure, l'environnement et le comportement d'un système physique, utilisés pour prédire les états futurs du système et fournir des références pour les décisions réelles. Dans la recherche en fusion, face à la complexité croissante des problèmes liés à la physique des plasmas, à l'ingénierie des installations et aux interactions avec les matériaux, les jumeaux numériques sont considérés comme susceptibles d'aider les chercheurs à intégrer des modèles dispersés en un outil de simulation systématique plus proche des conditions réelles de fonctionnement des installations.

Frank Jenko, directeur de l'Institut Max-Planck de physique des plasmas et responsable des solutions numériques au sein du bureau Fusion d'Eurofusion, a déclaré que les chercheurs sont déjà capables de simuler de nombreux aspects du plasma de fusion avec une fiabilité et une capacité prédictive élevées. La prochaine étape consiste à combiner autant que possible ces éléments de simulation, ce qui explique l'intérêt croissant pour la technologie des jumeaux numériques dans la recherche en fusion.

Simulation des flux d'érosion et de dépôt de tungstène dans la chambre de combustion principale de DEMO. DEMO est une centrale nucléaire de démonstration. (Copyright : F. Jenko et al., 2026, *Nuclear Fusion* 66 116014) 

Le concept de jumeau numérique est utilisé dans le domaine de l'ingénierie depuis le début du XXIe siècle, et la communauté de la recherche en fusion l'explore également depuis plusieurs années. En 2021, Eurofusion a lancé le projet E-TASC pour coordonner les recherches théoriques et de simulation avancée à l'échelle européenne. L'article conclut qu'au cours des cinq dernières années, les travaux connexes sont passés progressivement de discussions conceptuelles à des plans de R&D concrets.

En ce qui concerne la simulation du plasma dans les tokamaks, l'article indique que les chercheurs ont réalisé des progrès notables dans la simulation du cœur du plasma, couvrant des questions clés telles que la turbulence, les instabilités susceptibles de rompre le confinement magnétique, ainsi que le comportement des particules rapides produites par les réactions de fusion. Jenko a déclaré que les recherches sur le cœur du plasma progressent de manière relativement fluide, une grande partie du travail de validation des codes ayant été achevée, ce qui constitue l'une des avancées importantes de ces dernières années.

Parallèlement, des recherches auparavant relativement dispersées s'orientent progressivement vers des simulations couplées. L'article mentionne que les chercheurs ont commencé à mener des simulations couplées turbulence-ondes pilotées par particules rapides, et à développer des codes capables de suivre l'évolution des instabilités dans les régions profondes du régime non linéaire, au-delà de la simple analyse des phases initiales.

En revanche, la région du bord du plasma reste un point difficile pour la modélisation. Cette région, plus proche des parois du réacteur, présente des processus physiques plus complexes, et les interactions entre les matériaux et le plasma y sont plus difficiles à décrire avec précision. Prenons l'exemple du tungstène utilisé pour les parois : au cours des nombreuses années de fonctionnement d'une future centrale, une partie du tungstène entrera inévitablement dans le plasma. La manière de simuler l'impact de ces particules libérées sur le plasma, ainsi que la façon dont la chaleur et les particules atteignent les parois sous l'effet de la turbulence, restent des questions clés dans la recherche.

L'article mentionne également des progrès dans la recherche sur la région du bord. Par exemple, les codes de turbulence sont désormais capables de reproduire le phénomène de « détachement », c'est-à-dire le refroidissement rapide du plasma avant qu'il n'atteigne la paroi ; les chercheurs ont également mené des simulations d'érosion et de formation de poussières à l'échelle du réacteur. Cependant, ces modèles doivent encore être perfectionnés avant de pouvoir soutenir de manière complète et fiable la conception des centrales à fusion.

Outre les tokamaks, la simulation des stellarators a également progressé. Les résultats obtenus sur l'installation allemande Wendelstein 7-X ont suscité un intérêt accru pour la filière du stellarator, tandis que l'amélioration des capacités de simulation permet aux chercheurs de concevoir et d'évaluer les concepts de stellarators avec une plus grande confiance. Jenko a indiqué que la technologie des stellarators n'est pas encore suffisamment mature, principalement en raison des données théoriques et expérimentales encore limitées, mais que l'équipe de recherche souhaite faire évoluer la simulation des stellarators jusqu'à un niveau capable de soutenir la formation de concepts de centrales.

Concernant les deux filières que sont le tokamak et le stellarator, Jenko estime qu'elles ne sont pas en simple concurrence, mais peuvent progresser en parallèle ; la modélisation par jumeaux numériques peut contribuer à la maturation conjointe des deux types d'installations de fusion.

Pour la prochaine étape, l'article estime que l'accent des jumeaux numériques de fusion sera mis sur l'intégration des composants de modèles auparavant relativement indépendants. Les chercheurs explorent des cadres capables de regrouper différentes informations, comme l'outil Bluemira, destiné à la conception intégrée des futurs réacteurs de fusion. Cet outil comprend plusieurs modules, dont certains dépendent d'autres codes, et permet de mener une série d'activités de conception conceptuelle de réacteurs de fusion. Bien que Bluemira ne soit pas encore un modèle de jumeau numérique complet, il est considéré comme une étape importante vers le jumeau numérique de fusion.

Les chercheurs soulignent également qu'avant d'utiliser les simulations intégrées pour des installations non encore en fonctionnement comme ITER ou les futures centrales à fusion, il reste nécessaire de valider les résultats de simulation sur les installations existantes. Jenko a déclaré qu'un modèle complet de jumeau numérique de centrale à fusion n'existe pas encore, mais que les modèles de base — cœur du plasma, bord, parois et systèmes périphériques de l'installation — sont désormais plus proches que jamais d'une application pratique. « Il y a cinq ans, ce n'était qu'une vision. Aujourd'hui, c'est devenu un plan de R&D, et il progresse rapidement. »