Fusion nucléaire : quelles technologies alternatives au tokamak ?
En évoquant la fusion on visualise rapidement le tokamak - cette immense chambre toroïdale entourée d'aimants supraconducteurs. Et quand on dit “tokamak”, on pense ITER. C’est aujourd'hui l'un des projets scientifiques et technologiques les plus ambitieux au monde. Son objectif est de démontrer la faisabilité scientifique et technique de l'énergie de fusion, avec un objectif de gain énergétique égal à 10.
ITER permet aussi de comprendre quelque chose d'essentiel : passer de la physique des plasmas à une installation intégrée impose de concilier performances, matériaux, sûreté, maintenance, coût et faisabilité industrielle. Son design n'a d'ailleurs cessé d'évoluer depuis les premières études de la fin des années 1980, au gré des avancées scientifiques mais aussi des contraintes techniques, économiques et réglementaires.
Lors de la 3eme édition de ITER Public-Private Fusion Workshop, auquel j'ai assisté en avril dernier, une autre réalité m'a particulièrement intéressée : le tokamak est loin d'être la seule technologie explorée pour maîtriser la fusion nucléaire.
Le parallèle avec la fission est assez évident. Lorsque l'on parle aujourd'hui des AMR, certaines technologies occupent beaucoup plus l'espace médiatique que d'autres. Pourtant, derrière le terme Advanced Modular Reactor se cache un panorama de concepts très différents. Pour la fusion, c'est la même histoire.
Plusieurs chemins pour atteindre la fusion
Quelle que soit la technologie envisagée, le problème physique de départ reste le même : créer les conditions permettant à des noyaux légers de fusionner et maintenir ces conditions suffisamment longtemps pour produire de l'énergie. C'est sur la manière d'y parvenir que les technologies divergent.
Deux grandes stratégies permettent d'organiser le paysage : le confinement magnétique, où de puissants champs magnétiques sont utilisés pour maintenir le plasma, et le confinement inertiel, où une petite quantité de combustible est comprimée extrêmement rapidement. Mais même à l'intérieur de ces deux grandes familles, les architectures peuvent être différentes.
Le tokamak : la technologie emblématique d'ITER
Le tokamak appartient à la famille du confinement magnétique. Il repose sur une chambre toroïdale dans laquelle le plasma est confiné grâce à une combinaison de champs magnétiques.
L'intérêt d'ITER dépasse la seule démonstration du confinement d'un plasma. Il faut intégrer dans une même machine la physique du plasma, les aimants supraconducteurs, les composants exposés à de forts flux thermiques et neutroniques, le tritium, le refroidissement, les diagnostics, la maintenance et la sûreté.
Les évolutions successives du design d'ITER sont une bonne illustration de ce problème complexe. Les objectifs initiaux ont progressivement été adaptés sous l'effet du coût, du calendrier et de la faisabilité technique. Le passage d'un objectif initial allant jusqu'à l'ignition à l'objectif actuel de Q = 10 et 500 MW de puissance de fusion en est un exemple. L'évolution des composants face au plasma est tout aussi révélatrice : carbone, béryllium, puis tungstène ont successivement occupé différentes places dans le design à mesure que les connaissances et contraintes évoluaient. Une technologie de fusion n'est pas seulement une configuration capable de confiner un plasma. Il faut réussir à en faire une machine. Puis, une centrale.
Le stellarator constitue l'autre grande famille bien connue.
A confinement magnétique fermé, sa géométrie 3D est très différente de celle d'un tokamak et représente une autre manière de créer la configuration magnétique nécessaire au confinement du plasma.
Il existe également des architectures à lignes de champ ouvertes, comme les magnetic mirrors, ou machines à miroirs magnétiques. L'idée n'est pas nouvelle : le plasma est confiné longitudinalement grâce à des champs magnétiques plus intenses aux extrémités. Le problème historique est comment empêcher les particules de s'échapper par ces extrémités ?
revisiter le principe des miroirs magnétiques
Ce que cherche à faire Novatron est une architecture mirror-cusp. Le concept présenté lors du workshop combine trois mécanismes de confinement aux extrémités : magnétique, ambipolaire et pondéromoteur. Au-delà du principe de confinement lui-même, l'intérêt revendiqué tient à la simplicité de l'architecture : une géométrie axisymétrique, ouverte et relativement accessible, avec l'objectif d'un fonctionnement continu.
Cette géométrie pourrait notamment faciliter l'accès aux composants et au plasma par rapport aux architectures magnétiques fermées plus complexes. Elle ouvre également une autre application intéressante - son utilisation comme source volumique de neutrons pour l'irradiation de matériaux, avec un volume expérimental important et accessible.
Cette approche est encore en phase de développement et ses performances futures restent évidemment à démontrer. Mais elle est intéressante précisément parce qu'elle montre qu'une alternative au tokamak peut partir d'une géométrie et d'un moyen de confinement complètement différentes.
Fusion par confinement inertiel : changer complètement de stratégie
Avec la fusion par confinement inertiel, on change encore de logique. Il ne s'agit plus de maintenir durablement un plasma grâce à des champs magnétiques. Une petite quantité de combustible est soumise à un apport d'énergie extrêmement rapide afin d'atteindre, pendant un temps très court, les conditions nécessaires aux réactions de fusion. Les lasers constituent l'une des voies possibles.
Et cette approche entraîne des problématiques technologiques encore différentes : performances et rendement des lasers, fabrication des cibles, injection, répétabilité des tirs ou encore récupération de l'énergie. Deux grandes installations illustrent aujourd’hui cette voie à l’échelle mégajoule. En France, le Laser Mégajoule, conçu et exploité par le CEA, constitue l’installation européenne de référence. Aux États-Unis, le National Ignition Facility représente son grand homologue. L’écosystème français continue d’évoluer. En 2024, Thales a créé GenF, avec le soutien du CEA, du CNRS et de Polytechnique, avec un avant-projet annoncé d’ici 2027 et l’ambition d’aller vers un démonstrateur industriel à plus long terme.
lasers ultra-courts et cibles nanostructurées
Le concept de Marvel Fusion associe trois briques principales : des lasers à impulsions ultra-courtes, des matériaux nanostructurés destinés à améliorer le couplage entre laser et cible et des combustibles solides non cryogéniques.
Marvel Fusion présentait notamment des nanofils d'environ 50 nm de diamètre pour 20 µm de longueur, mais également le développement de procédés permettant de fabriquer plus de 1 000 cibles nanostructurées sur un wafer de silicium. Car démontrer qu'un concept fonctionne physiquement ne suffit pas. Pour envisager une centrale, il faut également pouvoir répondre à une autre question : peut-on reproduire le processus des milliers, puis des millions de fois de manière fiable et économiquement viable ?
Des aimants et des parois liquides
Le futur de la fusion pourrait aussi dépendre de technologies transversales, capables de modifier plusieurs architectures à la fois. Deux exemples présentés pendant le workshop l'illustrent : les aimants supraconducteurs HTS et les parois de métal liquide.
Les aimants HTS - les supraconducteurs à haute température critique (HTS) ne constituent pas une technologie de fusion à proprement parler. Ils peuvent en revanche devenir une technologie habilitante pour plusieurs concepts de confinement magnétique. L'intérêt est considérable : des champs magnétiques plus élevés permettent d'envisager des machines plus compactes.
Pour construire des aimants de fusion, il faut pouvoir produire des kilomètres de matériau avec des performances suffisamment homogènes et à un coût compatible avec une utilisation industrielle. Le changement d'échelle a été présenté par Faraday Factory. Son site japonais annonce une capacité annuelle de 3 000 km de ruban HTS de 4 mm, et l'entreprise développe également des câbles à très fort courant destinés aux tokamaks, stellarators et systèmes de confinement ouverts.
Les travaux présentés par ASIPP (Institute of Plasma Physics, Chine) illustrent quant à eux la progression vers les très hauts champs. Des aimants utilisant des supraconducteurs REBCO ont été testés au-delà de 20 T et un système hybride associant REBCO et supraconducteurs basse température a atteint un champ central de 35,1 T, dont 22,5 T produits par la partie HTS. Les auteurs soulignent toutefois que des validations à plus long terme et sur plusieurs cycles restent nécessaires.
Autre problème commun à de nombreuses architectures : que mettre entre le plasma et le reste de la machine ?
Dans un futur réacteur D-T, les composants proches du plasma devront supporter des flux thermiques importants et un environnement neutronique particulièrement sévère. Une approche consiste à développer des matériaux solides capables de résister à ces conditions.
Une autre consiste… à changer la nature même de la paroi. C'est l'idée explorée par Renaissance Fusion avec des parois épaisses de métal liquide.Le concept est présenté comme potentiellement applicable à différents réacteurs D-T.
La philosophie est - transformer un problème de mécanique des solides en un problème de mécanique des fluides. Une paroi liquide pourrait transporter d'importantes densités de flux thermique, s'auto-régénérer, contribuer à la protection neutronique et, si elle contient du lithium, participer à la production de tritium. Mais comme souvent en ingénierie, résoudre un problème en fait apparaître d'autres.
Il faut maîtriser les interactions entre gravité, inertie, plasma et forces magnétohydrodynamiques, ainsi que l'interaction avec le champ magnétique ou l'évaporation du lithium. Renaissance Fusion a construit une boucle expérimentale associant de l'étain liquide à 700 °C et un aimant HTS fonctionnant jusqu'à 0,6 T, séparés de seulement 40 mm. Les essais ont montré une fragmentation du jet à forte densité de courant, conduisant ensuite à modifier le guidage de l'écoulement pour obtenir une couche d'étain continue.
Nous ne savons pas encore quelle architecture — ou quelle combinaison de technologies — équipera les centrales de fusion.
La question n’est plus seulement de savoir comment créer et confiner un plasma. Il faut désormais réussir à transformer ces concepts en systèmes énergétiques. ITER explore à une échelle exceptionnelle l’une des principales voies vers la fusion - mais elle n’est pas la seule voie possible. Tokamaks, stellarators, machines à miroirs, confinement inertiel… auxquels s’ajoutent des innovations transversales comme les aimants HTS ou les parois liquides : le paysage technologique est beaucoup plus vaste que l’image que l’on associe habituellement à la fusion.
Burning plasma achieved in inertial fusion
Novatron: Equilibrium and stability
Confinement performance predictions for a high field axisymmetric tandem mirror