tokamak

Un aspirateur aspire la poussière, même si elle est plus abondante près du suceur. Il en va de même dans un tokamak : les particules de plasma sont attirées vers le centre, alors que leur densité est plus élevée au bord. Ce phénomène est appelé « pinch de particules », et il contredit la règle habituelle selon laquelle tout tend à se déplacer d'une zone dense vers une zone raréfiée.

Un navigateur muni d'une carte papier trace sa route avant de prendre la mer. Si l'océan change, si le courant se déplace, si le vent se renforce, la carte reste la même. Le navire suit un chemin obsolète et l'équipage doit corriger le cap manuellement.

Une lampe ordinaire émet une lumière constante, tandis qu'un phare émet de brefs éclairs. Des scientifiques de Londres ont fait fonctionner un minuscule diamant comme un phare, mais non pas pour la lumière, mais pour les ondes radio. Pour cela, ils ont ajouté un peu d'azote au cristal, puis l'ont éclairé avec un laser vert.

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.

Un réacteur à fusion, c'est comme un four surchauffé où le plasma atteint des millions de degrés. Les parois d'un tel four sont en tungstène : c'est le métal le plus réfractaire qui soit. Mais même le tungstène ne résiste pas sans protection : les particules rapides du plasma bombardent la surface et en arrachent des atomes.

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.

Un miroir magnétique est un tube ouvert aux deux extrémités. Le champ magnétique y est conçu pour empêcher le plasma chaud de s'échapper : il se resserre aux extrémités, comme un bouchon dans une bouteille. Les particules de plasma qui volent vers la sortie sont repoussées par ces « bouchons » et reviennent en arrière.

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'eau bouillante, on peut voir une ébauche de ce tour de passe-passe quantique : si une partie du liquide se transforme en bulles de vapeur à longue durée de vie, la masse principale se refroidit.

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.

Le cosmos est peuplé de sprinters invisibles — des particules filant à une vitesse proche de celle de la lumière. On les capture dans le vent solaire, près des étoiles à neutrons et même dans le vide intergalactique entre les galaxies. Mais qu'est-ce qui les propulse là où il n'y a ni ondes de choc, ni reconnexions magnétiques ?

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.

Dans une casserole de soupe bouillante, les courants bouillonnants transportent la chaleur vers les parois, et la soupe refroidit. Dans un tokamak — une immense bouteille magnétique pour le plasma — il se passe la même chose : les tourbillons de turbulence emportent l'énergie vers l'extérieur, empêchant d'allumer la réaction de fusion.

L'eau dans une tasse refroidit en quelques minutes. Le gaz dans une pièce la remplit uniformément en quelques secondes. Mais si l'on confine des atomes dans un tube de l'épaisseur d'un rayon laser et qu'on les excite vigoureusement, ils mettront plusieurs secondes à « refroidir » vers l'équilibre — une éternité à l'échelle atomique.

Le plasma cosmique n'est pas un gaz calme, mais une soupe bouillonnante de particules chargées, traversée par des champs magnétiques. Ces champs se comportent comme des élastiques tendus : parfois ils se déchirent et se reconnectent aussitôt, mais d'une manière différente.

Environ 380 000 ans après le Big Bang, l'Univers a atteint une température où les électrons et les protons ont pu, pour la première fois, s'unir en hydrogène neutre.

Sur le Soleil, il arrive que d'immenses nuages de plasma tentent de s'échapper dans l'espace. Mais souvent, ils n'y parviennent pas : une cage magnétique invisible les retient près de la surface. Ces éruptions ratées sont dites « confinées ». Les scientifiques ont construit un modèle informatique pour comprendre comment fonctionne cette cage.

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.

Une casserole pour la soupe est généralement ronde, et une poêle est plate. La forme du récipient détermine la façon dont l'eau bout. Dans un tokamak — une installation où un gaz surchauffé est confiné par un champ magnétique — la forme du plasma n'est pas choisie au hasard non plus.

Avant chaque lancement d'un tokamak — l'installation où un gaz surchauffé est maintenu par un champ magnétique — les opérateurs passent des heures à calculer comment le plasma se comportera. L'erreur coûte trop cher : un seul paramètre incorrect peut faire échouer l'expérience.

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.

Un réacteur à fusion, c'est tenter de retenir un petit soleil dans une cage magnétique. Pour qu'il produise plus d'énergie, il faut comprimer le plasma davantage. Mais les tokamaks ont une clôture invisible : dès que la densité franchit un certain seuil, le plasma tressaille et se désagrège.

Le plasma dans un réacteur de fusion, c'est comme un essaim de lucioles qu'il faut retenir dans un bocal invisible. On pensait autrefois que les parois du bocal devaient être parfaitement lisses, sinon les lucioles trouveraient une fissure et s'envoleraient.

Un réacteur à fusion, c'est un peu comme un orchestre : le plasma joue la mélodie et les bobines magnétiques sont les musiciens. Si un instrument joue faux, toute la symphonie s'effondre.

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.

Cinq atomes de calcium chargés flottent dans un piège, maintenus par des champs électriques. Le refroidissement laser leur retire l'excès d'énergie, et ils s'alignent en une minuscule pyramide à base carrée.

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.

Six ions baryum s'alignent en un hexagone plat à l'intérieur d'un piège de Paul, un dispositif qui maintient des particules chargées grâce à des champs électriques variables.

Une goutte d'encre dans un verre d'eau se disperse rapidement, colorant tout le liquide. C'est pareil pour les électrons dans un métal : ils se déplacent librement, comme des molécules dans un gaz. Mais si une impureté magnétique — un atome avec son propre moment magnétique — se retrouve dans ce milieu, quelque chose d'étrange se produit.