États-Unis : le PPPL reconfigure le critère de Lawson vieux de 70 ans et propose une nouvelle voie d'allumage par fusion « chauffer d'abord, ajouter le combustible ensuite »

Le Laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL), relevant du département de l'Énergie des États-Unis (DOE), a publié le 5 octobre ses derniers résultats : des physiciens du laboratoire ont reconfiguré le critère de Lawson classique utilisé depuis plus de 70 ans et l'ont publiée dans Physical Review Letters. L'équipe de recherche a intégré quatre effets physiques réels, jusqu'alors traités séparément, dans un modèle unifié, dressant une nouvelle carte topographique de l'allumage par fusion. L'étude montre qu'en adoptant une approche consistant à « chauffer d'abord le plasma, puis à augmenter la densité du combustible », on peut atteindre les conditions d'allumage d'une combustion auto-entretenue avec une consommation d'énergie bien inférieure à celle de la voie traditionnelle.

Depuis plus de 70 ans, le domaine de la fusion nucléaire s'appuie sur le critère de Lawson pour évaluer si un plasma peut maintenir une combustion auto-entretenue à une température et une densité suffisamment élevées. Cependant, l'équation classique n'indique que le point d'arrivée, sans révéler le meilleur chemin d'ingénierie pour y parvenir. Le nouveau modèle proposé par les chercheurs du PPPL complète quatre conditions de contrôle essentielles, fournissant une base théorique pour planifier les flux optimaux de chauffage et d'alimentation énergétique au sein d'un système de fusion.

Les chercheurs comparent le processus de recherche des conditions d'allumage à la traversée d'une chaîne de montagnes. La conception traditionnelle de la fusion choisit souvent « l'ascension frontale du pic », c'est-à-dire augmenter d'abord la densité du plasma puis appliquer le chauffage, ce qui nécessite l'injection d'une énorme énergie externe. Le nouveau modèle révèle une voie efficace consistant à « contourner la montagne » : en chauffant d'abord le plasma à la température cible, puis en ajoutant du combustible pour augmenter la densité, on peut réduire considérablement l'investissement énergétique total nécessaire pour atteindre l'allumage.

Sur le plan de l'expression mathématique, cette nouvelle voie doit traverser une région critique appelée « col de Cordey » (Cordey saddle), c'est-à-dire le canal d'énergie minimal reliant l'état de chauffage externe à l'état de combustion auto-entretenue. Dans un plasma de combustible pur idéal sans impuretés, le facteur de gain d'énergie de fusion Q correspondant au col est d'environ 5. Lorsque des paramètres d'environnement réels tels que les impuretés et les champs magnétiques intenses sont introduits, la position du col se décale et la valeur de Q requise augmente en conséquence.

Cette étude intègre pour la première fois quatre catégories d'effets de perte réels essentiels dans un même cadre de calcul, notamment les « cendres d'hélium » accumulées après la combustion du combustible, les impuretés légères et lourdes détachées de la paroi interne du dispositif, les pertes par rayonnement synchrotron générées par le mouvement à grande vitesse des particules chargées, ainsi que les pertes de chaleur qui s'intensifient avec l'élévation de la température. L'équipe souligne que négliger ces facteurs conduit à des conceptions réalisables en conditions idéales, mais qui subissent de graves écarts lors de la construction réelle ; le modèle unifié permet d'éviter efficacement des essais et erreurs d'ingénierie coûteux.

Concernant la paroi interne en tungstène métallique adoptée par les principaux dispositifs de fusion actuels, l'étude montre que même une contamination du plasma par du tungstène à hauteur d'une partie sur dix mille suffit à presque doubler la pression critique nécessaire à l'allumage. Si l'on étend davantage le modèle à trois dimensions, la pression d'allumage requise pourrait même dépasser la limite de stabilité physique du plasma. Toutefois, ces mécanismes de perte constituent en même temps des mécanismes de sécurité naturels, capables de supprimer efficacement le cycle d'« emballement thermique » dans la réaction de fusion, permettant au plasma en combustion d'atteindre un fonctionnement auto-stabilisé spontané.

En outre, l'équipe de recherche propose deux voies techniques réalisables pour abaisser le seuil d'allumage, notamment l'application de la technologie de revêtement de paroi interne en lithium liquide étudiée de longue date par le PPPL afin de réduire la contamination par les impuretés, ainsi que l'utilisation de combustible à polarisation de spin pour augmenter la section efficace de réaction de fusion nucléaire. Bien que ce résultat repose actuellement sur des calculs théoriques et des simulations numériques, il indique une direction claire pour la conception, la planification et la validation expérimentale des dispositifs de fusion à haut Q de la prochaine génération.