Les réacteurs à fusion nucléaire expérimentaux comme celui d’ITER sont de véritables bijoux d’ingénierie qui regorgent de matériel extrêmement sophistiqué. Mais derrière les cryostats, les bobines de champ toroïdales ou les modulateurs de flux, il y a aussi des objets étonnamment mondains qui aident les physiciens à dompter cette source d’énergie révolutionnaire. Récemment, des chercheurs américains ont expliqué que leurs expériences de pointe faisaient intervenir un élément pour le moins inattendu, à savoir… de la mayonnaise !
Pour savoir comment ce grand classique de la gastronomie populaire peut se retrouver impliqué dans des travaux qui cherchent à reconstituer la fournaise des étoiles sur Terre, il faut d’abord replacer quelques bases. Le premier enjeu des réacteurs à fusion nucléaire, c’est de générer et d’entretenir un 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 à des atomes de combustible (souvent du tritium et du deutérium) de se percuter avec une violence extrême pour générer la fameuse réaction de fusion.
Le plasma, un animal turbulent
Pour générer ce plasma et le garder sous contrôle, il existe aujourd’hui deux approches majoritaires. La première, c’est le confinement magnétique qui est utilisé par ITER. Dans les engins de cette catégorie (les tokamaks), cette soupe de particules chargées surchauffée est gérée grâce au champ magnétique produit par d’immenses bobines supraconductrices. L’autre approche, appelée confinement inertiel, consiste à bombarder une minuscule capsule de combustible avec des faisceaux laser extrêmement puissants. Le matériel se retrouve ainsi dans des conditions de pression et de température absolument dantesques, forçant ainsi les atomes à former le plasma où les atomes sont susceptibles de fusionner.
Si les deux techniques sont très différentes, elles ont toutefois un point commun : dans les deux cas, le plasma est un animal à la fois farouche et délicat qu’il est très difficile de garder en laisse. Si les réacteurs expérimentaux sont aussi sophistiqués, c’est en grande partie à cause des innombrables contraintes liées à la gestion du plasma.
Un des plus gros problèmes, c’est que ce satané plasma n’a aucune intention de rester sagement en place. À la frontière entre le bouillon de particules surchauffées et le combustible encore relativement froid, on a tendance à observer des turbulences qui perturbent considérablement la stabilité de la réaction. Les physiciens les appellent des instabilités de Rayleigh-Taylor.
Les chercheurs essaient de trouver des moyens de réduire ces instabilités pour que le plasma puisse évoluer dans des conditions optimales. C’est un problème qui ne relève pas vraiment de la physique nucléaire à proprement parler : techniquement parlant, il s’agit plutôt un problème de mécanique des fluides. Et c’est justement la spécialité de l’équipe du professeur Arindam Banerjee, à l’université de Lehigh. Avec ses collègues, il a développé un système qui permet d’analyser les mécanismes qui se cachent derrière ces turbulences — et il repose justement sur cette fameuse mayonnaise.
Un modèle pour simuler la dynamique du réacteur
En effet, il se trouve que la célèbre sauce est un excellent cobaye pour étudier la géométrie des instabilités de Rayleigh-Taylor, ainsi que la façon dont elles émergent et se développent dans le plasma. Le tout en évitant de devoir mettre en place ces fameuses conditions de pression et de température extrêmes.
Ce statut est directement lié à ses propriétés physiques singulières. 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 façon réversible, mais ces changements deviennent vite irréversibles ; dans le jargon de la physique, on parle de déformation élastique, puis plastique. Au-delà d’un certain seuil, la mayonnaise subit encore une nouvelle transition où elle commence à s’écouler, permettant ainsi aux instabilités de Rayleigh-Taylor de s’installer.
Pour l’équipe, tout l’enjeu était donc de mesurer ces différents seuils pour déterminer précisément dans quelles conditions la mayonnaise passe du domaine élastique au domaine plastique. Ou en d’autres termes, à partir de quel point critique elle devient incapable de reprendre 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 suivantes », explique Aren Boyaci, co-auteur de l’étude. « Nous avons découvert les conditions dans lesquelles la récupération élastique était possible », précise-t-il.
De la mayonnaise à la fusion
Aussi insolites soient-elles, ces données pourraient s’avérer précieuses pour les chercheurs qui travaillent sur la fusion nucléaire. En théorie, il suffit d’ajuster différents paramètres pour étendre ces conclusions au plasma généré dans les réacteurs expérimentaux. Le cas échéant, cela permettrait d’adapter l’architecture des capsules de combustible pour retarder significativement l’arrivée des instabilités dans le plasma, voire de les supprimer complètement.
« Dans notre papier, nous avons généralisé nos données dans l’espoir que le comportement que nous prévoyons transcende ces quelques ordres de grandeur », explique Banerjee. « Nous essayons d’améliorer la prévisibilité de ce qui se passerait avec ces capsules de plasma fondues, à haute température et haute pression, grâce à ces expériences analogues basées sur de la mayonnaise. »
Évidemment, il faudra bien plus qu’une seule étude sur l’écoulement d’un condiment pour franchir l’énorme fossé qui nous sépare encore de la fusion nucléaire commerciale. Mais il s’agit tout de même d’un pas en avant qui pourrait déboucher sur de vrais progrès au niveau des réacteurs à confinement inertiel. Reste à voir si ces travaux sur les instabilités pourraient aussi bénéficier aux tokamaks comme ITER, dont la feuille de route a récemment été modifiée suite à de nombreuses difficultés techniques et réglementaires.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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