Un projet de recherche coordonnée (PRC) récemment achevé a permis de mieux comprendre les processus atomiques et moléculaires fondamentaux nécessaires pour progresser dans l’utilisation de la fusion nucléaire comme source d’énergie à l’avenir. Plus précisément, le projet a permis de générer et d’évaluer des données sur les collisions de l’hydrogène et de l’hélium et les processus radiatifs qui en résultent, au cours desquels de l’énergie est libérée sous forme de rayonnement électromagnétique. Des réactions de fusion peuvent être provoquées dans une forme de matière appelée « le plasma », constitué de gaz à très haute température et électriquement chargés, sur lequel a porté le projet de recherche.
« Grâce aux données recueillies dans le cadre du PRC, nous sommes en mesure d’aller plus loin dans la simulation des processus complexes dans les dispositifs de fusion et de mieux comprendre ce qui se produit dans les réacteurs expérimentaux », explique Bastiaan Braams, chercheur à l’Institut national de recherche en mathématiques et en science informatique (CWI) des Pays-Bas qui a participé au projet.
La fusion nucléaire, réaction qui fait briller le soleil, pourrait à terme être une source pratiquement illimitée d’énergie propre et sans carbone utilisant l’eau et le lithium comme combustibles. Cependant, l’exploitation d’une énergie de fusion commercialement viable soulève d’importantes difficultés technologiques sur lesquelles s’est penché le PRC, comme la protection de la paroi de la cuve du réacteur à des températures extrêmement élevées et le contrôle de la réaction de fusion.
Le projet avait pour objet l’étude des collisions et des réactions de l’hydrogène et de l’hélium dans les dispositifs de fusion, mais était principalement axé sur les réactions de l’hydrogène, y compris des isotopes deutérium et tritium et des divers ions moléculaires et molécules qu’ils peuvent constituer. Il a aidé les chercheurs à élaborer progressivement une base de données des sections efficaces de collision (c’est-à-dire des distances auxquelles doivent se trouver des particules pour entrer en collision) qui ont fait l’objet d’une évaluation critique, ainsi que des coefficients de vitesse de réaction (c’est-à-dire des mesures de la vitesse d’une réaction chimique). Cela permettra à des chercheurs du monde entier d’effectuer des calculs plus facilement et avec une plus grande précision.
Ce PRC, auquel ont participé des chercheurs d’établissements de 12 pays, en collaboration avec l’AIEA, a permis de recueillir des données essentielles qui aideront les scientifiques à créer des outils de modélisation en vue de simuler le comportement des atomes d’hydrogène et de certaines molécules dans des conditions de fusion.
Qu’est-ce que la fusion contrôlée ?
Au cœur du soleil se produisent des réactions de fusion entre les atomes d’hydrogène, à l’intérieur d’un plasma dense. C’est ce processus qui permet au soleil de briller. Ces réactions nécessitent des énergies élevées afin de transformer une masse minuscule en une grande quantité d’énergie (conformément à la célèbre équation d’Einstein E = mc2).
Dans un réacteur de fusion, les réactions se produisant dans le cœur requièrent des températures élevées, qui sont difficiles à maintenir dans la partie extérieure de la chambre de fusion, à proximité de la paroi. Il est essentiel de comprendre les phénomènes physiques à l’œuvre dans cette zone, appelée « le bord du plasma », pour protéger les parois internes du réacteur et contrôler la réaction de fusion dans le cœur. L’une des principales difficultés techniques liées à l’utilisation de la fusion contrôlée pour produire de l’énergie est la modélisation des processus atomiques et moléculaires à l’œuvre dans le plasma de bord. En effet, il y a des lacunes importantes dans les connaissances disponibles sur les processus quantiques intervenant dans la physique des plasmas, même celles relatives à l’atome le plus simple (l’hydrogène).
Cette mine d’informations nouvelles viendra compléter l’ALADDIN, base de données nucléaires de l’AIEA, et a déjà donné lieu à la publication de 68 articles scientifiques soumis à un comité de lecture. La publication finale du PRC est parue dans la revue Atoms en mai 2017.
