Comment contenir un plasma de 150 millions de degrés dans un beignet roulé

Les physiciens sont cool, mais c’est cool !? C’est ce que pensait ce journaliste lorsque le compte Instagram du jeune physicien nucléaire s’est avéré avoir près de 27 000 abonnés sur Instagram. L’explication? Le physicien nucléaire est devenu célèbre en 2009 lorsqu’il a remporté le Concours Eurovision de la Chanson Junior avec la chanson Clic clac.

Enfant, Ralf Mackenbach regardait pendant que ses parents pensaient qu’il dormait Cosmos, une série documentaire télévisée sur l’univers avec l’astronome américain Carl Sagan. Puis, entre deux performances musicales, son feu pour la physique s’est allumé.

Fin novembre, Mackenbach (28 ans) a soutenu sa thèse sur la fusion nucléaire à la TU Eindhoven. Avec distinction. Dans une petite salle blanche éclairée par des néons de l’université, il parle de ses recherches des quatre dernières années tout en feuilletant son épaisse thèse. Ce que Mackenbach aime dans la fusion nucléaire, c’est qu’il s’agit d’une « physique pure et dure ». La fusion nucléaire concerne les plasmas : des « liquides » fluides qui répondent aux champs électromagnétiques. Et il aime aussi que ses recherches aient un objectif social clair, une source d’énergie durable pour l’avenir.

Le soleil brille grâce à la fusion nucléaire. À la pression et à la température extrêmes à l’intérieur de cette étoile, les noyaux d’atomes plus légers fusionnent, créant de nouveaux atomes plus lourds : par exemple, quatre atomes d’hydrogène créent de l’hélium. Cela libère une énorme quantité d’énergie. Sur Terre, les physiciens tentent d’imiter cette source d’énergie dans des réacteurs. Chose prometteuse, une réaction de fusion nucléaire ne produit pas de gaz à effet de serre. La fusion nucléaire produit également moins de déchets radioactifs que la fission nucléaire, qui tire son énergie de la division des noyaux atomiques plus lourds en éléments plus légers.

Nous chauffons le centre du beignet à 150 millions de degrés Celsius. Cela peut être fait avec des micro-ondes

L’envoyé américain pour le climat, John Kerry, a qualifié la fusion nucléaire de « révolution pour le monde » lors du sommet sur le climat de Dubaï. Est-ce correct?

« Nous devons nous attaquer au problème climatique en 2050 zéro net CO₂émissions. Je ne pense pas que la fusion nucléaire apportera grand-chose dans un laps de temps aussi court. Il n’existe actuellement aucun réacteur qui génère plus d’énergie que ce que vous devez y consacrer. Nous devons également construire une infrastructure pour la fusion nucléaire. Mais à long terme, la fusion nucléaire est très intéressante. La population mondiale augmente et dans de plus en plus de pays, les gens demandent toujours plus d’énergie. La fusion nucléaire peut jouer un rôle dans cette demande énergétique croissante.

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Comment ça marche, la fusion des noyaux atomiques sur Terre ?

« Nous faisons cela dans un réacteur à fusion : une sorte de gros beignet métallique entouré de câbles. On pouvait s’accroupir dans le beignet que j’ai visité en Allemagne ; il fait environ un demi-mètre de haut. Nous chauffons le centre du beignet à 150 millions de degrés Celsius. Cela peut être fait avec des micro-ondes qu’un micro-ondes utilise également pour réchauffer les aliments. Nous mettons les éléments légers deutérium et tritium dans le beignet et, en chauffant, un plasma chaud et incandescent se forme. La température est suffisamment élevée pour que les atomes entrent en collision violemment et finissent par fusionner.

Il faut beaucoup de puissance de calcul pour calculer exactement quels vortex apparaîtront dans un plasma particulier.

Mackenbach étudie comment la chaleur s’échappe du beignet vers les parois extérieures. C’est l’un des problèmes majeurs et complexes à résoudre pour faire de la fusion nucléaire une source d’énergie efficace.

« Vous ne voulez pas que cette chaleur se propage rapidement vers les parois du beignet ; alors ils fondraient. Nous essayons de garder le plasma à l’intérieur grâce à des champs magnétiques auxquels le plasma adhère comme un collier de perles. À propos, ces lignes magnétiques expliquent la forme du beignet. Si la ligne magnétique était droite, elle entrerait en collision avec un mur quelque part, et c’est là que vous perdriez le plasma chaud. Nous générons les champs magnétiques avec des bobines situées à l’extérieur du beignet. La température des bobines est juste légèrement au-dessus du zéro absolu [-273°C]. Cela vous donne une énorme différence de température dans le beignet. Et une différence de température veut s’égaliser. Tout comme lorsque vous mettez du lait froid dans du thé chaud. Vous verrez alors se former des tourbillons dans lesquels se mélangent le lait froid et le thé chaud. Cela se produit également avec le plasma dans le réacteur. Et vous voulez vous en débarrasser. Ces vortex provoquent une fuite de chaleur, ce qui rend plus difficile le maintien des réactions de fusion.

Comment avez-vous enquêté sur ces tourbillons ?

« Les tourbillons sont chaotiques. Il faut beaucoup de puissance de calcul pour calculer exactement quels vortex apparaîtront dans un plasma particulier. Notre idée est la suivante : nous n’allons même pas essayer de calculer cela. Pour mes recherches, je me suis demandé : pouvez-vous calculer la quantité maximale d’énergie qui peut être contenue dans tous ces vortex dans un plasma donné ? Et la réponse est oui, et j’ai mis en place la formule. Il était rassurant de constater que, si selon la formule il y avait beaucoup d’énergie dans les vortex, et donc beaucoup de chaleur pouvait s’échapper, selon les simulations informatiques, beaucoup de chaleur s’infiltrait dans cette configuration plasma.

Comment ces connaissances aident-elles à la fusion nucléaire sur Terre ?

« Vous pouvez utiliser la formule pour effectuer un calcul approximatif afin de prédire, par exemple, dans quelle forme de beignet de plasma la moins d’énergie thermique est perdue via les vortex. Il ne s’agit pas de l’enveloppe du réacteur à fusion, mais de la forme du chemin emprunté par le plasma le long des lignes magnétiques. Vous contrôlez cette forme avec les bobines.

C’est très amusant de trouver un équilibre entre dire la vérité et expliquer quelque chose de manière compréhensible.

Autour du cou, Mackenbach porte une chaîne en argent avec une breloque qui ressemble à un beignet torsadé de la taille d’une pièce d’euro. C’est la forme du plasma dans un réacteur à fusion en Allemagne.

Et? Quelle forme est la plus efficace ?

« Nous ne savons pas encore exactement. Cela dépend de plusieurs facteurs : quelle est exactement la taille du réacteur et comment chauffez-vous exactement le plasma ? Cependant, les formes optimales que nous avons trouvées jusqu’à présent ressemblent à de vrais réacteurs : un beignet torsadé comme en Allemagne semble bien fonctionner.

Où se situe votre avenir ?

« Je ne planifie jamais très loin. Mais je suis sûr que c’est ce que j’aime le plus faire de la recherche. Au cours de la nouvelle année, j’irai en Suisse pour mon postdoctorat afin de continuer avec les formes de beignets.

Vous avez donné une présentation pour l’Université des Pays-Bas sur la fusion nucléaire. Souhaitez-vous parler de science sur scène dans la peau de Carl Sagan ?

“Oui! C’est très amusant de trouver un équilibre entre dire la vérité et expliquer quelque chose de manière compréhensible à un large public. Je sais aussi – grâce à mon expérience musicale – retenir l’attention. Vous ne voulez pas envoyer trop d’informations par minute ; vous voulez aussi juste que ce soit amusant. Pendant le spectacle, on ne parle pas toujours vingt minutes entre deux chansons.

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