Pour obtenir des réactions nucléaires de fusion, il faut non seulement porter à quelques 150 millions de degrés des isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) mais aussi maintenir le plasma résultant à distance des parois du réacteur et donc, le « confiner » très rigoureusement grâce à des champs magnétiques dans un tokamak.
Il existe cependant des instabilités dans le plasma, composé d’ions et d’électrons à très haute température, qui peuvent conduire à un dépôt d’énergie sur les parois. Le plasma disparaît alors quasi instantanément lors d’un phénomène appelé disruption. Dans certains cas, des électrons échappés du plasma (dits « découplés ») sont accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière dans les instants suivant la disruption et entraînent d’autres électrons dans leur sillage, dans un processus d’« avalanche ». Or la vitesse à laquelle se développe cette avalanche d’électrons découplés croît exponentiellement avec la taille du tokamak. Dans la future expérience internationale de fusion ITER, ces électrons pourraient déposer, sur une surface extrêmement petite, presque autant d’énergie que ce que contient le plasma de fusion lui-même (de l’ordre de la centaine de mégajoules) !
Au cours d’une expérience unique, menée sur le tokamak DIII-D exploité par General Atomics aux États-Unis, des physiciens avaient observé qu’une injection importante de deutérium pouvait dissiper de façon très rapide l’énergie des électrons découplés. Cette idée publiée en 2018 a été reprise, approfondie et confirmée au cours de plusieurs expériences au tokamak JET, en Grande-Bretagne en 2019 et 2020. Les scientifiques démontrent qu’une dissipation « propre » de l’énergie des électrons découplés est possible, sans aucun dépôt de chaleur mesurable sur les composants internes du réacteur, à condition d’injecter massivement du deutérium, sous forme d’éclats de glaçons, juste après la disruption.
Images infrarouge montrant le rayonnement synchrotron dû aux électrons découplés. (a) avant l’instabilité menant à leur dissipation. (b) 0.3 ms après l’instabilité dissipant les électrons découplés. (c). Ré-accélération d’un petit faisceau d’électrons découplés à cause d’une quantité de deutérium insuffisante. ©Phys. Rev. Lett
En s’appuyant sur la simulation numérique, les chercheurs détaillent les contributions de deux processus physiques à cet effet protecteur. Les atomes de deutérium augmentent l’instabilité du faisceau d’électrons découplés favorisant l’étalement du dépôt d’énergie et chassent hors du plasma les impuretés qui participent à la ré-accélération des électrons.