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Depuis près de 70 ans, un obstacle complexe freine la recherche sur la fusion nucléaire : les particules énergétiques qui s’échappent des réacteurs, compromettant la stabilité du plasma. Une équipe américaine, réunissant l’université du Texas à Austin, le laboratoire national de Los Alamos et la société Type One Energy, vient d’annoncer une avancée théorique majeure qui pourrait transformer la maîtrise de ce phénomène.
Piéger les électrons fugitifs dans les réacteurs à fusion nucléaire
Pour produire de l’énergie par fusion, il faut chauffer des isotopes d’hydrogène à plus de 100 millions de degrés, créant un plasma constitué d’un mélange d’électrons et de noyaux ionisés. Ce plasma est extrêmement instable, et certaines particules très énergétiques, notamment les électrons dans les tokamaks ou les particules alpha dans les stellarators, parviennent parfois à s’échapper du confinement magnétique.
Ces fuites réduisent la température et la densité du plasma, stoppant la réaction de fusion. Les chercheurs doivent donc concevoir des champs magnétiques capables d’emprisonner ces particules, mais la tâche est ardue : il s’agit de contrôler un plasma chauffé à un coût énergétique d’environ un milliard d’euros par mégawatt.
Une bouteille magnétique pleine de trous
Les tokamaks et stellarators utilisent de puissantes bobines pour créer des cages magnétiques invisibles destinées à retenir le plasma. Néanmoins, ces cages ne sont pas parfaites : certaines zones voient leur champ magnétique s’affaiblir, créant des “trous” par lesquels les particules peuvent s’échapper, à l’image d’un filet de pêche mal tissé tentant de retenir de l’eau.
La modélisation de ces faiblesses repose sur des calculs basés sur les lois de Newton, extrêmement complexes et nécessitant des centaines de milliers de simulations simultanées, ce qui ralentit considérablement la conception et l’optimisation des réacteurs.
Des méthodes approximatives insuffisantes
Pour simplifier ces calculs, les chercheurs utilisent souvent la théorie des perturbations, qui consiste à traiter un problème complexe comme une légère modification d’un problème plus simple et connu. Cette méthode offre une solution approchée plus rapide à obtenir, mais au prix d’une précision réduite, comparable à une carte du métro tracée uniquement à la règle et au compas.
Cette limitation freine notamment le développement des stellarators, qui restent difficiles à concevoir faute d’outils fiables pour prédire rapidement les trajectoires des particules énergétiques.
Une nouvelle théorie pour briser ce cycle
L’équipe dirigée par Josh Burby a proposé une approche novatrice reposant sur une théorie de la symétrie, qui s’éloigne des calculs classiques newtoniens. En identifiant les invariants du système, cette méthode permet de prédire les trajectoires des particules sans devoir simuler toutes les interactions possibles.
Cette innovation conserve la précision des modèles traditionnels tout en réduisant le temps de calcul d’un facteur 10, équivalent à cuisiner un plat complexe en une fraction du temps, sans altérer le goût. Elle est applicable aux deux principaux types de réacteurs à fusion : stellarators et tokamaks.
Une solution face à un double défi
Dans les tokamaks, ce sont principalement des électrons qui s’échappent, causant des dommages sévères aux parois du réacteur, parfois capables de percer les matériaux les plus avancés. Grâce à la nouvelle méthode, il devient possible de localiser précisément les zones à risque et d’adapter les champs magnétiques pour limiter efficacement ces pertes.
Cette approche offre la perspective de “voir enfin” où les fuites se produisent et comment les colmater, sans nécessiter des modélisations longues et exhaustives de chaque centimètre cube du réacteur.
Une avancée théorique aux applications concrètes
Josh Burby souligne l’importance de cette découverte : « Ce problème était ouvert depuis près de 70 ans. Notre méthode le résout sans sacrifier la précision ni engendrer des coûts de calcul exorbitants. »
Les travaux, publiés dans la revue Physical Review Letters, ouvrent la voie à la conception rapide de réacteurs à fusion plus performants et moins dépendants d’essais-erreurs coûteux.
Dans un domaine où chaque prototype représente plusieurs centaines de millions d’euros, cette capacité à développer des systèmes de confinement magnétique fiables et rapidement constitue un changement de paradigme majeur.
L’époque où les électrons s’évadaient comme des prisonniers d’Alcatraz pourrait bien appartenir au passé.
Progrès récents dans la maîtrise de la fusion nucléaire
En février 2025, le tokamak français West a battu un record mondial en maintenant un plasma stable pendant plus de 22 minutes, une étape cruciale vers la viabilité commerciale de la fusion nucléaire. Ce succès s’ajoute aux avancées du National Ignition Facility aux États-Unis, proche d’une réaction auto-entretenue, ainsi qu’aux progrès du projet ITER en France, qui vise une première production d’énergie vers 2035-2036.
Les recherches actuelles se concentrent sur la résistance des matériaux et la gestion des extrêmes conditions de chaleur générées par le plasma. Bien que les progrès soient prometteurs, la faisabilité économique à grande échelle reste à démontrer.
La fusion nucléaire s’approche ainsi de la réalité, mais son intégration massive dans le mix énergétique mondial n’est envisagée, au mieux, que pour la seconde moitié du XXIe siècle.
