La fusion nucléaire de noyaux de tritium et de deutérium requiert une température de plasma supérieure à cent millions de degrés.

Dans les tokamaks actuels, un chauffage externe (ou additionnel) ciblant les électrons ou les ions du plasma de fusion est nécessaire pour atteindre et conserver cette température tandis que dans une centrale de fusion, les ions d'hélium produits par cette réaction devront assurer le chauffage nécessaire au maintien de la température requise.

Or ce mode de chauffage par les ions d'hélium repose sur des échanges d'énergies par collisions entre ces dernier et les électrons qui échauffent en priorité les électrons. D'où la question : le transfert d'énergie entre électrons et ions du combustible sera-t-il assez efficace pour maintenir une température ionique adéquate ? D'autant que selon de récentes observations, la température ionique atteint un plafond dans les machines actuelles lorsque le chauffage électronique augmente (en l'absence de chauffage ciblant les ions). Cette « saturation » pourrait-elle menacer les performances d'ITER et celles des futures centrales de fusion ?

Expériences et simulations sur le tokamak WEST

Pour le savoir, des chercheurs de l'IRFM ont simulé le chauffage du plasma dans le tokamak WEST à l'aide de modèles de transport de chaleur turbulent et collisionnel. Ils reproduisent quantitativement la saturation de la température ionique qu'ils expliquent par la diminution des échanges de chaleur dus aux collisions entre ions et électrons à plus forte température électronique.

Or dans les installations de plus grande taille comme ITER, le temps de confinement de l'énergie dans le plasma sera beaucoup plus long, de l'ordre de la seconde pour ITER, au lieu de quelques dizaines de millisecondes pour WEST. Ce temps, à comparer au temps caractéristique d'échange d'énergie par collisions entre électrons et ions du combustible, permettra aux ions d'atteindre une température proche de celle des électrons, comme le confirment des simulations 1D comparant WEST et ITER, pour lequel le chauffage du plasma cible principalement les électrons.

Cette étude permet donc d'assurer que les ions seront chauffés efficacement dans ITER et les futures centrales, et que les réactions de fusion pourront être auto-entretenues.