Du soleil en beignet

Le numéro daté du 1^er janvier 2026 du magazine Science Advances contenait un beau cadeau de fin d’année: la ­relation d’une avancée significative dans le domaine de la fusion nucléaire (1). L’équipe chinoise du EAST ­(Experimental Advanced Superconducting ­Tokamak) situé à Hefei, au centre-est de la Chine, a en effet réussi à produire dans ce réacteur de fusion un plasma plus dense qu’attendu, franchissant une limite (dite de Greenwald) qu’on pensait infranchissable. Un pas vers la domestication de la fusion ? Sans doute, même si l’on est encore (très) loin de la maîtriser pour en faire une source d’énergie exploitable.

L’aventure de la fusion nucléaire commence il y a un siècle, dans les années 1920, lorsque les physiciens constatent le «défaut de masse» de l’hélium. Autrement dit, la création de cet atome à partir d’éléments plus légers libère une grande quantité d’énergie. Plus précisément, la masse de l’atome produit n’est pas égale à la somme des 2 constituants fusionnés mais elle est inférieure. La masse «perdue» se transforme en énergie selon la célèbre formule d’Einstein d’équivalence entre l’énergie et la masse, E=mc². À la même époque, on suppose que c’est ce principe qui est à l’œuvre dans les étoiles, dont notre soleil: les atomes d’hydrogène fusionnent en atomes ­d’hélium dégageant une énergie colossale sous forme de rayonnement auquel nous devons la vie. Et comme l’hydrogène est l’élément le plus ­abondant de l’univers, la conclusion est évidente: l’humanité a conquis son graal, une énergie propre quasi infinie. Il lui suffit de reproduire sur terre ce qui est à l’œuvre dans le soleil. Pour l’anecdote, le réacteur chinois EAST est d’ailleurs surnommé le «soleil artificiel». Sauf que, de la théorie à la ­pratique, le chemin est semé d’embûches.

C’est le physicien allemand Hans Bethe qui a décrit le processus de fusion à l’œuvre dans les étoiles. Processus assez compliqué, qui se déroule en plusieurs étapes. Et qui commence par la fusion de 2 protons (atomes d’hydrogène sans leur ­électron). Or fusionner des ­particules dont la charge électrique est identique est toujours une gageure: cela n’est possible que dans des conditions de pression et de température élevées. Pour le soleil, pas de problème: sa température centrale est de 15 millions de degrés et il y règne une ­pression de 2,2 10¹¹ atm, d’où une densité de matière de 150 g/cm³, 150 fois celle de l’eau. À ces conditions, 620 millions de tonnes ­d’hydrogène sont transformées à chaque seconde en 615,7 ­millions de tonnes d’hélium. Des grandeurs qui posent tout de suite question: ­comment atteindre de telles conditions sur Terre ? La réponse est simple: on ne les atteint pas, du moins pas entièrement. Impossible en effet de comprimer un gaz à la pression faramineuse qui règne au centre d’une étoile (2). Mais on peut agir sur l’autre paramètre, la ­température. C’est ce qui a été réalisé dans les réacteurs de fusion où la ­température est portée jusqu’à 150 millions de degrés, bien supérieure donc à celle qui règne au cœur du soleil. Autre différence par rapport à celui-ci: on a renoncé à fusionner 2 atomes ­d’hydrogène (2 protons), opération trop énergétivore, mais plutôt deux de ses isotopes, le ­deutérium et le tritium (3). Même s’il n’est pas aussi répandu que l’atome d’hydrogène «normal», le deutérium, isotope stable, est abondant et fort accessible: il y a un atome de deutérium pour 6420 atomes d’hydrogène, notamment dans l’eau (un m³ d’eau de mer en contient 33 grammes). Le tritium en revanche est un isotope instable (radioactif) qui n’existe pas à l’état naturel (sauf dans les rayons cosmiques) ce qui s’explique par sa courte période (12,3 ans) mais il est produit dans les centrales nucléaires de fission ou peut être fabriqué à partir du lithium. D’où les parois en lithium des réacteurs de fusion: les neutrons libérés lors de la réaction frappent le lithium et convertissent certains de ses atomes en tritium.

Pour que deutérium et tritium fusionnent, il faut atteindre des températures de plusieurs dizaines millions de degrés. Le gaz d’hydrogène se ­transforme alors en plasma, un état de la matière composé d’un mélange ionisé de noyaux et ­d’électrons. En fusionnant, les isotopes ­d’hydrogène donnent naissance à un noyau ­d’hélium et un neutron ainsi qu’à de la chaleur. L’hélium continue sa course dans le plasma et participe au maintien des hautes températures de celui-ci. Les neutrons frappent la paroi de lithium et, outre qu’ils en font jaillir le tritium, réchauffent cette paroi, laquelle chauffe un fluide (de l’eau) qui, ­transformé en vapeur, peut ­entraîner des ­turbines et ainsi ­produire de l’électricité. Tout ceci se déroule dans un tokamak (acronyme russe de chambre toroïdale avec bobines magnétiques), une cage en forme d’anneau (un tore, un beignet) où le plasma est confiné – il ne touche pas les parois du tokamak – grâce à la présence d’un très puissant champ magnétique (50 000 fois le champ magnétique terrestre) obtenu par des bobines entourant le plasma et par un fort ­courant électrique circulant dans le plasma lui-même.

Cette description très simplifiée du processus cache un problème: l’énergie fournie dépend de la densité du plasma (plus elle est dense, plus il y a d’énergie, donc de chaleur). Densité qui dépend de la quantité d’hydrogène qu’on peut injecter dans le tokamak. Or, depuis le début des essais de tokamak, les scientifiques ont constaté que s’ils essaient d’augmenter la densité, il se produit des perturbations. Au point que le confinement disparaît et que le plasma se répand n’importe où dans le tore. Une question s’est donc rapidement imposée: jusqu’où peut-on aller avant la catastrophe ? De quoi dépend cette limite ? En 1988, Martin Greenwald formule une règle empirique qui établit une corrélation entre le rayon interne du tore, le courant qui circule dans le plasma et la densité du combustible, appelée depuis «limite de Greenwald». Une limite qui a façonné la conception des grands réacteurs comme ITER dans le sud de la France. L’établissement de cette règle n’a cependant pas empêché des recherches théoriques ou expérimentales pour voir comment éventuellement la dépasser. En 2022 par exemple, une équipe de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne avait déterminé les conditions pour franchir cette limite en toute sécurité. Le tokamak chinois EAST vient de la franchir expérimentalement en produisant un plasma stable à une ­densité atteignant 1,65 fois la limite critique.