Les réacteurs de fusion nucléaire expérimentaux comme ITER sont des merveilles d’ingénierie dotées d’un matériel extrêmement sophistiqué. Mais derrière les cryostats, les bobines de champ toroïdal et les modulateurs de flux se cachent également des objets étonnamment banals qui aident les physiciens à exploiter cette source d’énergie révolutionnaire. Récemment, des chercheurs américains ont expliqué que leurs expériences de pointe impliquent quelque chose de pour le moins inattendu :… Mayonnaise !
Pour comprendre comment ce grand classique de la gastronomie populaire peut être impliqué dans des travaux qui cherchent à recréer le four des étoiles sur Terre, il faut d’abord poser quelques bases. Le premier défi des réacteurs à fusion nucléaire est de générer et d’entretenir le plasma, un état de la matière caractérisé par la présence d’une grande quantité de particules chargées arrachées aux atomes. Une fois chauffé à plusieurs dizaines de millions de degrés, il devient un substrat idéal pour permettre aux atomes de combustible (souvent du tritium et du deutérium) de s’entrechoquer avec une violence extrême pour générer la fameuse réaction de fusion.
Plasma, un animal turbulent
Pour générer ce plasma et le garder sous contrôle, il existe actuellement deux grandes approches. La première est le confinement magnétique, utilisé par ITER. Dans les appareils de cette catégorie (les tokamaks), cette soupe de particules chargées surchauffées est gérée grâce au champ magnétique produit par d’énormes bobines supraconductrices. L’autre approche, dite de confinement inertiel, consiste à bombarder une minuscule capsule de combustible avec des faisceaux laser extrêmement puissants. La matière est ainsi placée dans des conditions de pression et de température absolument dantesques, forçant les atomes à former un plasma où les atomes sont susceptibles de fusionner.
Si les deux techniques sont très différentes, elles ont un point commun : dans les deux cas, le plasma est un animal sauvage et délicat, très difficile à maîtriser. Si les réacteurs expérimentaux sont si sophistiqués, c’est en grande partie à cause des innombrables contraintes liées à la gestion du plasma.
L’un des plus gros problèmes est que ce maudit plasma n’a aucune intention de rester en place. À la frontière entre le bouillon de particules surchauffées et le carburant encore relativement froid, on a tendance à observer turbulence qui perturbe considérablement la stabilité de la réactionLes physiciens les appellent Instabilités de Rayleigh-Taylor.
Les chercheurs tentent de trouver des moyens de réduire ces instabilités afin que le plasma puisse évoluer dans des conditions optimalesIl s’agit d’un problème qui ne relève pas vraiment de la physique nucléaire à proprement parler : techniquement parlant, il s’agit plutôt d’un problème de mécanique des fluides. Et c’est précisément la spécialité de l’équipe du professeur Arindam Banerjee, à l’université Lehigh. Avec ses collègues, il a développé un système qui permet d’analyser les mécanismes qui se cachent derrière ces turbulences – et il est basé sur cette fameuse mayonnaise.
Un modèle pour simuler la dynamique des réacteurs
En effet, il s’avère que la fameuse sauce est un excellent cobaye pour étudier la géométrie des instabilités de Rayleigh-Taylor, ainsi que la manière dont elles émergent et se développent dans le plasma. Le tout en évitant d’avoir à mettre en place ces fameuses conditions extrêmes de pression et de température.
Ce statut est directement lié à ses propriétés physiques uniques. En effet, la mayonnaise n’est pas un fluide comme les autres. En règle générale, elle se comporte plutôt comme un solide. Mais tout change lorsqu’on lui impose un gradient de pression ; elle change progressivement de phase sous la contrainte. Elle commence par se déformer de manière réversible, mais ces changements deviennent vite irréversibles ; dans le jargon de la physique, on parle de déformation élastique, puis de déformation plastique. Au-delà d’un certain seuil, la mayonnaise subit encore une autre transition où elle se met à couler, laissant ainsi s’installer les instabilités de Rayleigh-Taylor.
Pour l’équipe, le défi était donc de mesurer ces différents seuils pour déterminer précisément dans quelles conditions la mayonnaise passe du domaine élastique au domaine plastique. Ou autrement dit, à partir de quel point critique elle devient incapable de revenir à sa forme initiale et devient donc vulnérable aux instabilités.
« Nous avons étudié les critères de transition entre les phases d’instabilité de Rayleigh-Taylor et examiné comment cela affectait la croissance des perturbations dans les phases ultérieures. « , explique Aren Boyaci, co-auteur de l’étude. Nous avons découvert les conditions dans lesquelles la récupération élastique était possible » il dit.
De la mayonnaise à la fusion
Aussi inhabituelles soient-elles, ces données pourraient s’avérer précieuses pour les chercheurs travaillant sur la fusion nucléaire. En théorie, il suffirait d’ajuster divers paramètres pour étendre ces conclusions au plasma généré dans les réacteurs expérimentaux. Si tel est le cas, cela permettrait de :adapter l’architecture des capsules de combustible Pour retarder considérablement l’arrivée des instabilités dans le plasma, voire les éliminer complètement.
» Dans notre article, nous généralisons nos données dans l’espoir que le comportement que nous prédisons transcende ces quelques ordres de grandeur. « , explique Banerjee. Nous essayons d’améliorer la prévisibilité de ce qui se passerait avec ces capsules de plasma fondu à haute température et haute pression avec ces expériences analogiques à base de mayonnaise. »
Bien sûr, il faudra plus qu’une seule étude sur l’écoulement d’un condiment pour combler l’énorme fossé qui nous sépare encore de la fusion nucléaire commerciale. Mais c’est tout de même un pas en avant qui pourrait conduire à de réels progrès dans les réacteurs à confinement inertiel. Reste à savoir si ces travaux sur les instabilités pourraient aussi profiter à des tokamaks comme ITER, dont la feuille de route a été récemment modifiée suite à de nombreuses difficultés techniques et réglementaires.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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