réacteur à fusion

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Au cœur d'une éruption solaire, les lignes de champ magnétique se déchirent comme des élastiques tendus et se reconnectent en quelques minutes, libérant une énergie qui suffirait à l'humanité pendant des millions d'années.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Le plasma micro-onde en tourbillon, c'est comme un mixeur de cuisine qui chauffe et mélange le gaz simultanément. Dans le réacteur, le gaz est mis en rotation, et les micro-ondes le portent à des milliers de degrés, brisant les molécules de dioxyde de carbone.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

Un réacteur de fusion de type stellarator ressemble à un cocon magnétique savamment torsadé. Sa mission est de confiner un plasma surchauffé pour que les noyaux d'hydrogène fusionnent et produisent de l'énergie. Mais la forme tridimensionnelle du cocon crée des fuites : certaines particules s'échappent, surtout les plus rapides, celles qui transportent la chaleur principale.

La course à l'énergie de fusion ressemble à une tentative de capturer un éclair dans une bouteille. Pendant des décennies, les physiciens se sont acharnés à reproduire sur Terre les processus qui alimentent le Soleil.

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

À l'intérieur d'un réacteur à fusion, le plasma fait rage — un gaz chauffé à des millions de degrés. Il n'y a pas de fenêtres directes, et les caméras et capteurs tombent rapidement en panne. Les ingénieurs ne voient que des bribes d'information : quelques capteurs à différents endroits.

La collision de deux étoiles à neutrons est une forge cosmique où se créent en quelques secondes les éléments les plus lourds du tableau périodique. En 2017, les détecteurs ont capté les ondes gravitationnelles d'une telle fusion, et les télescopes ont observé une lueur — une kilonova.

Dans une casserole, l'eau bout : les bulles bouillonnent, la chaleur s'échappe rapidement dans l'air. Au centre du réacteur à fusion ARC, le plasma se comporte de la même manière – seulement au lieu de bulles, il y a des tourbillons turbulents, et au lieu de l'air, un champ magnétique qui doit retenir la chaleur.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

Le noyau atomique est un ressort naturel d'une force colossale. Lorsque les protons et les neutrons qui le composent se réorganisent, il passe dans un état particulier à longue durée de vie : l'isomère nucléaire. L'énergie y est emmagasinée comme un ressort comprimé à l'extrême.

Un puissant sèche-cheveux qui souffle non pas de l'air chaud, mais du plasma chauffé à blanc : c'est ce qu'on appelle une soufflerie à plasma. Elles servent à tester sur Terre la rentrée atmosphérique d'un vaisseau spatial.

Avant d'assembler un immense puzzle, il faut fabriquer les pièces en série – sinon l'image ne se forme pas. Dans les ordinateurs quantiques à fusion, ces pièces sont de minuscules paquets de lumière : les états ressources photoniques. On les fait entrer en collision et on les mesure pour tisser progressivement la trame de calcul.

Une balançoire ne se met à osciller que si on la pousse en rythme. Décalez légèrement vos poussées, et vos efforts sont perdus. C'est à peu près ainsi que la lumière interagit avec le noyau atomique : en général, un photon n'est absorbé que si son énergie correspond exactement à la différence entre les niveaux nucléaires.

La fusion d'un proton avec du bore-11 promet une énergie sans neutrons nocifs – seulement des particules chargées, facilement convertibles en électricité.

Un piège magnétique en forme de beignet confine un plasma de bore et d'hydrogène. À l'intérieur, la température dépasse les cent millions de degrés — plus chaud qu'au cœur du Soleil. À cette chaleur, les noyaux entrent en collision et fusionnent, libérant de l'énergie.

Un morceau de métal chauffé à une extrémité produit un faible courant électrique : on le sait depuis près de deux cents ans. Mais que se passerait-il si, au lieu d'un simple métal, on prenait un « sandwich » à plusieurs couches : un supraconducteur, un isolant mince et une couche plane d'électrons ?

Un réacteur nucléaire classique ressemble à une chaudière où le combustible brûle uniformément dans tout le volume. Ici, le tableau est différent : le long d'une barre cylindrique en carbure d'uranium rampe lentement une onde de fission — une zone étroite où les atomes se scindent et dégagent de la chaleur.

Le plasma chaud dans un tokamak ressemble à un animal capricieux : il faut le contenir tout en évitant qu'il ne surchauffe. Dans le réacteur ASDEX Upgrade, on a trouvé un régime où les tourbillons du plasma résolvent eux-mêmes ce problème.

Chaque fois que du deutérium et du tritium fusionnent dans un réacteur à fusion, un neutron rapide est émis. Il peut transformer certaines substances en d'autres, par exemple créer des isotopes précieux pour la médecine. Aujourd'hui, ces neutrons coûtent une fortune, car il existe peu d'installations expérimentales et elles fonctionnent rarement.

Au cœur d'une étoile massive, deux noyaux de carbone entrent en collision et fusionnent en un seul noyau de magnésium. De ce processus dépend la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant et les éléments chimiques qu'elle parvient à créer.

À l'intérieur du futur réacteur à fusion, un aimant aussi lourd qu'une petite voiture flottera en lévitation. Il maintient le plasma surchauffé comme une main invisible tient un nuage. Autrefois, un tel aimant était jugé inadapté au combustible deutérium-tritium : les flux de neutrons le détruisaient rapidement.

Le laser frappe la cible — et un nuage de plasma s'élance dans la chambre, propulsé à des centaines de kilomètres par seconde. Autour, ce n'est pas le vide : la chambre est remplie d'un gaz raréfié qui joue le rôle du milieu interstellaire. Le plasma s'y enfonce comme un hors-bord dans une eau calme, repoussant le gaz devant lui.

Dans chaque cellule, des réactions chimiques se déroulent en permanence, comme dans une minuscule cuisine où des protéines-cuisières préparent les substances nécessaires. Mais voir exactement comment la cuisinière prépare le plat est gêné par la foule d'autres molécules autour.

La lumière d'une lampe ordinaire est un chaos : les photons s'envolent dans toutes les directions, sans aucun ordre. Mais si l'on fait en sorte que de nombreux atomes émettent de la lumière simultanément et en rythme, on obtient une impulsion courte et puissante — comme des applaudissements qui, de claquements individuels, se transforment en une salve unique.

Allumer un soleil miniature est un vieux rêve de l'humanité. En général, les scientifiques tentent de confiner un plasma brûlant (un gaz de particules chargées) à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés.

Pour que deux noyaux atomiques fusionnent, il faut surmonter leur répulsion électrique féroce — comme si l'on tentait de faire s'accoupler deux taureaux furieux. Dans des conditions normales, seule une énergie colossale, comme celle des cœurs stellaires, peut y parvenir, là où Hans Bethe expliquait déjà la fusion dans les années 1930.

Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent, donnant naissance à de l'hélium et à des flux de neutrons. Sur Terre, ce processus est reproduit en combinant du deutérium et du tritium, des isotopes particuliers de l'hydrogène.

Les atomes, tels un essaim de lucioles, scintillent à l'unisson. Lorsqu'ils s'illuminent simultanément, la lumière est amplifiée considérablement : cent atomes émettent une lumière dix mille fois plus intense qu'un seul. Des physiciens ont transformé cette prouesse en moteur thermique.