En Chine, le plus grand tokamak du pays vient de réussir une expérience de fusion nucléaire qui bouscule une limite jugée incontournable par les physiciens.
Dans un article détaillé publié par la plateforme The Conversation, un directeur de recherche émérite du CNRS et d’Aix-Marseille Université décrit comment le tokamak chinois EAST est parvenu à dépasser une limite de densité de plasma considérée jusqu’ici comme infranchissable, un résultat salué et repris par les revues scientifiques Science Advances puis Nature.
Une « barrière » de densité enfin dépassée dans EAST
Le tokamak EAST (pour Experimental Advanced Superconducting Tokamak), installé en Chine, fait partie des grandes machines expérimentales destinées à préparer les futurs réacteurs de fusion. Au cœur de ces dispositifs, le plasma – un gaz ionisé porté à des températures extrêmes – est le milieu où se produisent les réactions de fusion nucléaire.
Pour générer une énergie significative, il faut un plasma à la fois très chaud, bien confiné et suffisamment dense : plus la densité est élevée, plus les ions se rencontrent et peuvent fusionner. Jusqu’ici, les expériences montraient toutefois qu’au-delà d’une certaine densité, le plasma devenait instable, provoquant des perturbations qui détruisaient le confinement magnétique et arrêtaient la décharge. Cette « limite de densité » freinait toute progression.
Les physiciens d’EAST ont atteint des densités de plasma entre 30 % et 65 % plus élevées que celles normalement possibles dans cette machine, sans déclencher les instabilités déstabilisatrices habituellement observées.
Selon l’analyse rapportée par The Conversation, ces nouveaux résultats dépassent nettement la limite observée auparavant dans EAST. Or cette avancée n’est pas un simple « coup de chance » expérimental : elle repose sur une base théorique formulée quatre ans plus tôt par une équipe comprenant le chercheur français à l’origine de l’article.
Une avancée qui s’appuie sur une théorie déjà publiée
L’étude qui décrit ces expériences est co-dirigée par les physiciens Ping Zhu et Ning Yan. Elle a été publiée début janvier dans la revue Science Advances et reprise ensuite par Nature, signe de l’intérêt de la communauté scientifique pour ce résultat.
Le chercheur français rappelle qu’en 2021, avec ses collègues Fabio Sattin et Paolo Zanca, il avait proposé une description théorique de l’auto-organisation entre le plasma et la paroi du tokamak. Cette approche prédisait l’existence de deux régimes :
un régime « habituel », dans lequel la densité de plasma reste limitée par les interactions avec la paroi ;
un régime alternatif, où cette limite disparaît si l’on parvient à réduire suffisamment les impuretés arrachées aux parois.
Ces impuretés proviennent du bombardement de la paroi par les ions du plasma. Une fois projetées dans le cœur du plasma, elles augmentent les pertes d’énergie et favorisent les instabilités. La théorie suggérait qu’en contrôlant mieux le démarrage de la décharge, on pouvait basculer dans un état où la densité n’est plus bridée par ce mécanisme.
L’expérience menée sur EAST confirme plusieurs prédictions de ce cadre théorique, donnant du crédit à l’idée qu’un régime « sans limite de densité » peut être atteint dans un tokamak en agissant dès les premières phases de la décharge.
Le scénario proposé en 2021 s’inspirait de la manière dont démarrent les stellarators, un autre type d’installation de fusion dans lequel le champ magnétique est entièrement créé par des bobines externes, sans courant de plasma. Les chercheurs suggéraient de transposer certains paramètres de démarrage des stellarators aux tokamaks.
Comment EAST a réussi à repousser la limite
Un démarrage de plasma repensé
Les physiciens d’EAST ont mis en œuvre cette stratégie en combinant deux actions clés pendant la phase de démarrage :
un contrôle fin de la pression initiale du gaz combustible injecté dans la chambre ;
un chauffage par résonance cyclotronique électronique, c’est-à-dire un chauffage du plasma par ondes électromagnétiques ajustées à la fréquence de rotation des électrons dans le champ magnétique.
Ces deux éléments reproduisent ce que les théoriciens décrivaient comme des « décharges de type stellarator » appliquées à un tokamak. L’objectif : réduire très tôt les interactions agressives entre le plasma naissant et les parois, limiter la projection d’impuretés et préserver l’énergie dans le cœur du plasma.
Résultat rapporté dans The Conversation : l’accumulation d’impuretés a fortement diminué, les pertes d’énergie se sont réduites et la densité de plasma atteinte à la fin du démarrage s’est révélée bien plus élevée que d’ordinaire, sans que la machine ne soit victime des instabilités qui marquent habituellement la limite de densité.
Une amélioration continue, stoppée par le temps d’expérience
Autre point marquant : décharge après décharge, les chercheurs ont constaté une baisse progressive de la quantité d’impuretés en même temps qu’une hausse de la densité atteinte avant l’apparition de perturbations. En clair, chaque expérience préparait la suivante, comme si l’appareil se « nettoyait » peu à peu.
L’équipe n’a toutefois pas pu pousser ce processus jusqu’à son extrême. Le temps d’utilisation alloué sur EAST étant limité, la campagne d’essais s’est arrêtée alors même que la progression ne montrait pas de signe de plateau. D’où l’espoir, exprimé dans l’article, de voir se prolonger cette amélioration lors de futures campagnes sur le tokamak chinois.
Pourquoi cette percée compte pour la fusion contrôlée
Cette avancée intervient dans un contexte de forte pression en matière d’énergie. Le texte de The Conversation rappelle que le réchauffement climatique, la pollution atmosphérique, les tensions géopolitiques sur le gaz et le pétrole ou encore l’intermittence des énergies renouvelables renforcent l’attrait d’une production électrique continue et bas carbone.
La fusion thermonucléaire contrôlée offre plusieurs atouts souvent cités par les spécialistes :
un combustible très répandu à la surface du globe ;
des « cendres » et un combustible de base non radioactifs ;
l’absence de risque d’emballement du cœur comparable à un accident de fission nucléaire.
Mais la route reste longue. Le grand projet international ITER, en construction dans le sud de la France, illustre cette complexité : le futur réacteur expérimental pèsera environ 23 000 tonnes pour près de 29 mètres de haut et 28 mètres de diamètre. Si les tokamaks doivent rester aussi massifs pour générer suffisamment d’énergie, les centrales de fusion risquent de rester rares et coûteuses.
Repousser, voire supprimer, la limite de densité du plasma ouvre la perspective de tokamaks plus petits, moins chers et plus faciles à exploiter, un objectif central pour que la fusion trouve sa place dans le mix électrique mondial.
À ceci s’ajoute une dynamique nouvelle : depuis 2023, le texte souligne que les investissements privés dans la fusion dépasseraient les financements publics à l’échelle mondiale, illustrant un intérêt industriel croissant pour cette technologie.
Et maintenant, quelles suites pour EAST et les autres tokamaks ?
L’équipe de recherche d’EAST prévoit de réutiliser la méthode lors de la prochaine campagne expérimentale, cette fois dans des conditions de plasma à plus haute performance, c’est-à-dire plus proches de celles visées dans un futur réacteur producteur d’électricité.
Les résultats chinois attirent aussi l’attention au-delà des frontières. Les physiciens travaillant sur d’autres tokamaks ont été informés, et certains pourraient reprendre ce scénario de démarrage pour tester s’il permet également de repousser la limite de densité dans leurs propres installations.
Le texte mentionne déjà une proposition d’expérience pour le nouveau tokamak japonais JT60-SA, développé dans le cadre d’une coopération nippo-européenne. L’idée serait d’appliquer une approche similaire à celle d’EAST afin de vérifier si le même régime « sans limite de densité » peut y être atteint.
Ce que cela signifie pour la France et ITER
Pour un lecteur français, l’un des enjeux évidents concerne ITER, en construction à Cadarache, dans les Bouches-du-Rhône. Ce réacteur de démonstration, fruit d’un vaste consortium international auquel la France participe activement, repose lui aussi sur le concept de tokamak.
Si les résultats obtenus en Chine se confirment et se généralisent, ils pourraient influencer les scénarios d’exploitation des tokamaks futurs, dont ITER. Les équipes qui préparent les campagnes d’essais d’ITER suivent de près ce type d’avancées, car tout gain de densité sans perte de stabilité se traduit potentiellement par une meilleure production d’énergie pour une machine donnée.
La France participe par ailleurs à d’autres dispositifs de recherche sur la fusion, via le CEA et des laboratoires associés au CNRS. Les stratégies de contrôle des impuretés, le choix des matériaux de paroi ou encore les schémas de démarrage de plasma constituent déjà des axes majeurs de travail. Le cas EAST montre que ce levier peut produire des effets mesurables sur la performance globale.
Plasma, tokamak, stellarator : quelques repères
Pour mieux comprendre la portée de cette expérience chinoise, quelques notions techniques peuvent aider :
Terme
Définition simplifiée
Plasma
Gaz porté à très haute température, dont les atomes sont ionisés. Il conduit l’électricité et réagit fortement aux champs magnétiques.
Tokamak
Machine en forme d’anneau où un puissant champ magnétique confine le plasma. Un courant électrique traverse le plasma et participe au confinement.
Stellarator
Autre type de dispositif de fusion, où le plasma est confiné uniquement par des champs magnétiques produits par des bobines externes, sans courant de plasma principal.
Résonance cyclotronique électronique
Méthode de chauffage du plasma par micro-ondes accordées sur la fréquence de rotation des électrons dans le champ magnétique.
Dans tous les cas, le défi est le même : préserver un plasma à très haute température, assez longtemps et avec une densité suffisante pour que les réactions de fusion libèrent plus d’énergie que celle injectée pour les maintenir.
En Chine, la capacité d’EAST à repousser la limite de densité évoquée depuis des décennies redonne de la marge aux concepteurs de tokamaks. Elle laisse entrevoir des configurations plus compactes, ou une meilleure efficacité pour une taille identique, sous réserve que ces scénarios de démarrage contrôlé soient reproductibles dans d’autres machines que le tokamak chinois EAST.
Un tokamak est une machine expérimentale conçue pour produire la fusion nucléaire en confinant un plasma ionisé à des températures extrêmes grâce à un champ magnétique. L'objectif est de préparer les futurs réacteurs commerciaux de fusion.
Pourquoi la limite de densité de plasma était-elle un problème ?
Au-delà d'une certaine densité, le plasma devenait instable et perdait son confinement magnétique, arrêtant la réaction de fusion. Cette barrière freinait la progression vers une fusion plus efficace et énergétique.
Comment EAST a-t-il contourné cette limite ?
En repensant le démarrage de la décharge : les physiciens ont combiné un contrôle fin de la pression initiale du gaz et un chauffage par résonance cyclotronique électronique pour réduire très tôt les interactions entre le plasma et les parois, limitant ainsi les impuretés destructrices.
Pourquoi cette percée est-elle importante pour l'énergie mondiale ?
Repousser la limite de densité ouvre la perspective de tokamaks plus petits et moins coûteux, ce qui rendrait la fusion nucléaire viable comme source d'électricité continue et bas carbone à l'échelle commerciale, contribuant ainsi à la transition énergétique.
Y a-t-il encore des obstacles avant une fusion commerciale ?
Oui, la route reste longue. Comme l'illustre le projet ITER en construction en France, les réacteurs restent extrêmement complexes et massifs. Il faut poursuivre l'amélioration des performances et réduire les coûts de construction et d'exploitation.
