«Nous créons le soleil de demain.»

Comment est né le rêve humain de créer le soleil ?
La fusion nucléaire, un pas de plus vers la commercialisation
Un nouvel avenir énergétique : le soleil piégé dans un aimant : le tokamak.

Comment le soleil brille-t-il ? Ce secret intrigue les hommes depuis longtemps.
Hier, aujourd'hui, depuis des décennies, des siècles et des milliers d'années, le soleil brille de mille feux.
La fusion nucléaire a débuté par la recherche de la source de l'énergie inépuisable du soleil.
L'avènement de la radioactivité à la fin du XIXe siècle a ouvert la porte à l'atome, et la première moitié du XXe siècle a été l'âge d'or de la physique nucléaire et de la mécanique quantique.
Au fur et à mesure que j'apprenais comment les noyaux se divisent, je voulais aussi savoir comment ils se regroupent un à un.
L'hydrogène s'est combiné pour former de l'hélium, et la masse réduite a été convertie en énergie, émettant de la lumière.
S’appuyant sur les travaux de nombreux scientifiques, Hans Bethe a percé les secrets de cette lumière stellaire.
De nombreuses personnes se sont réunies et ont divisé l'atome pour créer la bombe atomique.
Puis ils ont combiné des atomes pour créer une bombe à hydrogène.
Ils voulaient désormais illuminer leurs maisons et leurs usines grâce à l'énergie d'une gigantesque bombe à hydrogène.
Des scientifiques soviétiques ont trouvé le moyen de piéger un minuscule soleil dans un aimant.
Le réacteur à fusion nucléaire appelé « Tokamak » était né.


De nombreux démons vivaient dans le plasma du tokamak.
Il voulait utiliser librement l'immense énergie du soleil, mais les démons n'ont pas ouvert la porte facilement.
Parmi ces phénomènes, l'instabilité et les turbulences se sont avérées particulièrement difficiles à maîtriser.
Mais maintenant, il est presque entre mes mains.
Les efforts et les défis du Réacteur thermonucléaire international (ITER), actuellement en construction, des instituts de recherche du monde entier et des jeunes start-ups qui rivalisent pour obtenir des résultats ces dernières années sont remarquables.
Selon les données de l'enquête 2023 (https://www.fusionindustryassociation.org/fusion-industry-reports/) publiées par la Fusion Industry Association, plus de 7 billions de wons sont investis dans ces entreprises à travers le monde, dépassant largement le niveau d'un intérêt vague.
On s'attend à ce que des résultats meilleurs que prévu soient bientôt obtenus.
La Corée du Sud, qui a commencé ses recherches sur la fusion nucléaire il y a moins de cinquante ans, a construit KSTAR, un réacteur à fusion nucléaire supraconducteur, grâce à des chercheurs qualifiés et à des investissements constants au cours des vingt dernières années.
KSTAR produit actuellement une série de résultats expérimentaux surprenants qui attirent l'attention du monde entier.
Cet ouvrage examine en détail l'histoire et l'avenir de la recherche sur la fusion nucléaire en Corée.

Dans la première partie de ce livre, nous explorons avec Hans Bethe les raisons pour lesquelles le soleil brille si intensément et nous présentons les principes de la fusion nucléaire.
Ensuite, l'histoire du projet Manhattan et du développement de la bombe à hydrogène se dévoile à travers le regard d'Enrico Fermi.
La deuxième partie décrit le processus de création et de réalisation d'un « tokamak », un appareil de fusion nucléaire, à travers un projet fictif intitulé « La Fournaise de la Pensée », se déroulant dans un institut de recherche soviétique secret qui a réellement existé.
Ici, les lecteurs ne seront pas de simples observateurs du projet, mais participeront en tant que véritables chercheurs, résolvant les problèmes rencontrés par les scientifiques soviétiques contemporains.
La troisième partie examinera le développement du tokamak en visitant les principaux instituts de recherche sur la fusion nucléaire du monde entier, notamment l'Institut Max Planck en Allemagne et ITER.
Dans la quatrième partie, nous examinerons le processus de production d'électricité dans un tokamak et les nombreux défis qui restent à relever pour commercialiser l'énergie de fusion nucléaire.
La cinquième partie reviendra sur l'histoire de la recherche sur la fusion nucléaire en Corée, en se concentrant sur KSTAR.

Face à de tels problèmes, une approche d'ingénierie consistant à se demander « Comment pouvons-nous résoudre ce problème ? » était nécessaire, plutôt qu'une théorie scientifique se demandant « Pourquoi cela ? » ou un calcul mathématique.
Ou peut-être est-ce le sixième sens de l'artiste.
« Et que pensez-vous de Natan Yavlinsky, qui possède une vaste expérience dans la conception et la construction de centrales électriques à l'Institut de technologie énergétique de Moscou ? »
Artimovich confia à Yavlinsky la construction de l'appareil.
Yavlinsky a commencé à concevoir l'appareil en étroite collaboration avec nous.
Golovin et Yavlinsky ont orienté le dispositif de sorte que l'intensité du champ magnétique le long de l'axe du tore soit supérieure à celle le long de sa circonférence.
Le premier tokamak fut donc achevé en 1958.
Son nom était T-1.
--- p.218

L'existence de ZETA et la détection de neutrons ont commencé à filtrer petit à petit dans la presse.
Une réponse officielle était nécessaire.
Le 25 janvier 1958, Sonnerman publia les résultats de son expérience ZETA dans la revue Nature.
Les neutrons détectés ont été manipulés avec une extrême prudence. Les résultats de l'expérience ZETA ont suscité un vif intérêt médiatique, et Cockcroft, qui dirigeait l'équipe de Howell, a tenu une conférence de presse.
Cependant, lors de la conférence de presse, il s'est laissé prendre aux questions orientées des journalistes et a fini par faire la remarque imprudente qu'il était certain que les neutrons détectés à ZETA provenaient de la fusion nucléaire.
Cette nouvelle nous est rapidement parvenue.
Nous avons, y compris Artimovich, remis en question les résultats de ZETA.
Cela s'explique par le fait qu'il n'est pas facile de provoquer une réaction de fusion nucléaire à 50 millions de degrés.
L'orateur américain partageait également cet avis.
(…) Malheureusement, le support de ZETA a été interrompu suite à cet incident.
--- p.221~222

L'AIEA a été créée le 29 juillet 1957 et, l'année suivante, la deuxième Conférence internationale des Nations Unies sur les utilisations pacifiques de l'énergie atomique s'est tenue à Genève, en Suisse, du 1er au 13 septembre 1958.
La fusion nucléaire a été adoptée comme l'un des principaux thèmes de la conférence, peu après la publication des résultats de ZETA dans la revue Nature.
(…) Artimovich a fait cette présentation en tant que représentant de l'Académie des sciences de l'URSS.
(…) Deuxièmement, le dispositif torique a été introduit.
Ils ont démontré théoriquement que le champ magnétique axial du tore devait être supérieur au champ magnétique circonférentiel pour obtenir un plasma stable, et ont ajouté qu'ils l'avaient vérifié à l'aide d'un « dispositif expérimental » en acier inoxydable de 0,2 millimètre d'épaisseur.
Le diamètre moyen du tore de cet appareil était de 1,25 mètre, et le diamètre de sa section transversale était de 0,5 mètre.
Le courant plasma était de 400 000 ampères et le champ magnétique axial de 1,2 Tesla.
La température de l'électron n'était encore que de 150 000 à 250 000 degrés.
Arzimovich a attribué la basse température à l'instabilité du plasma et aux impuretés provenant des parois confinant le plasma.
Ce « dispositif expérimental » était le tokamak.
--- p.224

Artimovich, qui ne croyait toujours pas pleinement au tokamak, l'a présenté comme un « appareil expérimental » sans mentionner le nom « tokamak » lors de la conférence.
L'Union soviétique concentrait ses efforts sur la promotion de Spoutnik, le premier satellite artificiel au monde, qui faisait la fierté du pays à l'époque, plutôt que sur celle du tokamak en Suisse.
Le physicien Spitzer de Princeton a également accordé peu d'attention aux résultats du tokamak, qui ne disposait d'aucun dispositif pour mesurer la température du plasma.
À l'époque, personne ne se doutait que le « dispositif expérimental » soviétique allait plus tard bouleverser le paysage de la fusion nucléaire.
--- p.228

La deuxième conférence de l'AIEA sur la fusion s'est tenue à Culham, en Angleterre, en 1965, et quatre ans plus tard, en 1968, la troisième conférence de l'AIEA sur la fusion a été organisée par l'Union soviétique, à Novossibirsk, en Sibérie, loin derrière le rideau de fer.
Novossibirsk est la troisième plus grande ville de Russie et la plus grande de Sibérie en termes de population.
(…) Lors de la conférence, le directeur Archimovich a présenté les résultats que nous avions obtenus jusqu’à présent.
« Dans notre tokamak, nous avons atteint une température électronique de 10 millions de degrés et un temps de confinement de l'énergie de 0,01 seconde. »
« Ses performances sont deux à dix fois supérieures à celles des appareils connus jusqu'à présent. »
L'annonce d'Artimovich a immédiatement provoqué une énorme agitation.
Au début, personne ne croyait à ce résultat surprenant.
--- p.244

Tout au long de la conférence, d'innombrables questions ont été posées à Artimovich et à nous, et des débats interminables s'en sont suivis.
Il est difficile de le croire en le voyant soi-même, c'est pourquoi Archimovich a approché Sebastian Peace, directeur du Centre Culham pour l'énergie de fusion au Royaume-Uni, avec une proposition intrigante.
Les Britanniques ont été chargés de vérifier les résultats du tokamak.
À cette époque, la Grande-Bretagne avait consacré tous ses efforts au développement de nouveaux dispositifs de diagnostic depuis ZETA, et l'un d'eux consistait à mettre au point une méthode permettant de mesurer avec précision la température des électrons à l'aide d'un laser utilisant la diffusion Thomson.
(…) En décembre 1968, au plus fort de la guerre froide, des messieurs britanniques embarquèrent à bord d’un vol de Pakistan International Airlines à destination de Moscou, transportant cinq tonnes d’équipement.
Les cinq membres de ce qu'on appelait les « Culham Five » devaient séjourner et mener des expériences à l'Institut Kourtchatov, le siège de la recherche soviétique sur la bombe nucléaire.
--- p.245

L'appareil T-3, équipé d'un diffuseur laser importé du Royaume-Uni, a réalisé un total de 88 expériences sur le plasma jusqu'en août de l'année suivante.
Après plusieurs tentatives infructueuses, l'appareil a réussi à mesurer la température du plasma du tokamak.
La valeur mesurée était de 10 millions de degrés.
C'était le même résultat qu'Artimovich avait annoncé un an auparavant.
C'était une preuve irréfutable que personne ne pouvait contester.
En 1969, année où l'homme a posé le pied sur la Lune pour la première fois et où le Concorde a réalisé le vol supersonique, la nouvelle du T-3, qui a franchi le rideau de fer et s'est répandue dans le monde entier, a changé le cours de la recherche sur la fusion nucléaire.
--- p.246

Lorsque les Culham Five revinrent en Angleterre, le dispositif stellarator du laboratoire Culham, le proto-CLEO, tenta de se convertir en tokamak.
Princeton, berceau du stellarator, ne faisait pas exception.
Les dispositifs de fusion nucléaire du monde entier subissent une transformation majeure pour devenir des réacteurs tokamak.
Ce fut le début de ce qu'on a appelé la « fièvre du tokamak », l'« invasion soviétique » et la naissance des « tokamakistes ».
Depuis lors, des recherches ont été menées « sur le tokamak, par le tokamak, pour le tokamak » partout dans le monde.
Le tokamak a ensuite été adopté comme méthode pour le réacteur expérimental thermonucléaire international (ITER) et développé en une méthode de première génération pour la commercialisation de la fusion nucléaire.
--- p.249

Ce fut un coup dur pour le stellarator.
À l'époque, le stellarator Wendelstein II-A de l'Institut Max Planck de physique des plasmas en Allemagne montrait, pour la toute première fois, des résultats en matière de confinement du plasma identiques aux valeurs théoriques prédites.
Tous les dispositifs existants ont donné des résultats expérimentaux bien inférieurs aux prédictions théoriques.
Les scientifiques ont appelé cela l'« énigme de Munich ».
(…) Lorsqu’on parle d’histoire, l’hypothèse du « et si » n’a pas beaucoup de sens, mais pourtant, si la recherche sur les stellarators s’était poursuivie, ITER aurait pu être remplacé par une méthode de stellarator plutôt que par un tokamak.
--- p.212

Le professeur Karl Rachner a dit avec un sourire.
« Fritz, tu parles encore de ballons. »
En résumé, vous voulez confiner le plasma à l'intérieur du tokamak à l'aide d'un champ magnétique, mais vous voulez maintenir la pression aussi élevée que possible et la maintenir stable pendant une longue période, n'est-ce pas ?
Il s'agissait du professeur Lackner, directeur du département de théorie de l'Institut Max Planck de physique des plasmas.
Comme il l'a expliqué, le ballon représentait le champ magnétique du tokamak, et l'air à l'intérieur du ballon représentait le plasma.
--- p.259

Conférence de l'AIEA sur la fusion, tenue à Baltimore, États-Unis, en septembre 1982.
Le professeur Wagner a pris la parole au nom de l'Institut Max Planck de physique des plasmas.
Il fait une déclaration surprenante, un peu comme Artsimovich en 1968, qui a provoqué un véritable séisme dans la recherche sur la fusion nucléaire à travers le monde.
« Nous avons découvert un nouvel état du plasma dans le tokamak où le transport du plasma est fortement réduit et les performances de confinement sont considérablement améliorées. »
Ce plasma a une pression presque deux fois supérieure à celle d'un plasma conventionnel.
« La durée de rétention d'énergie est plus de deux fois plus longue. »
Ce fut un moment historique, marquant la découverte du « mode H ».
Ces résultats ont été obtenus grâce au tokamak Asdex de l'Institut Max Planck de physique des plasmas, qui a commencé à fonctionner en 1980.
Le professeur Wagner a appelé l'état plasma existant « mode L (mode de faible confinement) », ou mode de faible confinement, et a nommé le nouvel état plasma « mode H (mode de fort confinement) », ou mode de fort confinement.
Une bonne conservation de l'énergie signifie que l'eau chaude dans un thermos peut rester chaude plus longtemps que si elle était mise dans une bouteille d'eau ordinaire.
Normalement, on change le contenant pour améliorer l'isolation, mais cette fois-ci, c'était différent.
En modifiant simplement les conditions expérimentales dans le même dispositif tokamak, on a obtenu un plasma aux propriétés d'isolation thermique supérieures.
La découverte du mode H a bouleversé le monde de la fusion en profondeur.
Tous les dispositifs tokamak du monde entier travaillent d'arrache-pied pour implémenter le mode H.
Le mode H a rapidement été reproduit dans les PDX et Doublet III américains, le JET de l'Union européenne et le JT-60 japonais.
(…) Le professeur Wagner, qui dirigeait le tokamak Asdex, a pris la direction du Wendelstein 7-AS, un dispositif stellarator, en 1989 et a poursuivi ses recherches sur les stellarators.
(…) En 1992, le mode H a également été découvert dans Wendelstein 7-AS.
Cela a prouvé que le mode H est un phénomène universel dans les dispositifs de fusion nucléaire à champ magnétique en forme de tore, et que le mode H est ainsi devenu une sorte de « rite de passage » indiquant que le dispositif tokamak fonctionne correctement.
--- p.263~264

En 1971, la Communauté européenne (CE) a lancé un projet visant à développer un dispositif de fusion nucléaire à grande échelle qui serait représentatif de l'Europe.
Tout d'abord, sous la direction du Français Paul-Henri Revue, la conception a débuté en 1973 et le plan a été finalisé en 1975, proposant la construction du Joint European Torus (JET), qui était alors le plus grand tokamak du monde.
(…) Lorsque le projet JET a été proposé, une compétition a été lancée entre les pays européens pour l’accueillir.
Cinq sites ont été proposés : Culham en Angleterre, Garching en Allemagne, Cadarache en France, Ispra en Italie et Moll en Belgique.
Rapidement, les cinq candidats furent réduits à Culham, siège du Laboratoire d'énergie atomique du Royaume-Uni, et à Garching, en Allemagne, siège de l'Institut Max Planck de physique des plasmas, et une compétition féroce s'engagea entre les deux pays.
--- p.230

13 octobre 1977, Majorque, Espagne, au milieu de la mer Méditerranée.
Un terrible incident s'est produit dans l'un des lieux de vacances préférés des Allemands.
Le vol 181 de Lufthansa, en route de Palma, capitale de Majorque, à Francfort, a été détourné au-dessus de Marseille seulement 30 minutes après le décollage.
(…) Peu après minuit, le 18 octobre, le gouvernement ouest-allemand mobilisa l'unité spéciale de garde-frontières n° 9 (GSG 9) de la police fédérale pour reprendre Landshut. La GSG 9 était une unité antiterroriste spéciale créée à la suite du meurtre brutal de 11 athlètes israéliens pris en otage par Septembre noir lors des Jeux olympiques de Munich de 1972.
(…) Ils ont réussi à libérer 86 otages dans les 5 jours suivant l'incident en tuant 3 ravisseurs et en capturant 1.
À l'époque, le gouvernement britannique a dépêché des membres du SAS, la première unité antiterroriste moderne, et a même fourni des armes spéciales, ce qui a grandement aidé l'Allemagne à réprimer avec succès le terrorisme.
--- p.287

En 1977, après de nombreux rebondissements, il a été décidé que JET serait construit à Culham, près d'Oxford, en Angleterre.
Un budget total de 100 millions de UC a été investi dans le JET pour les coûts de construction.
(…) 100 millions d’UC équivalent à environ 500 milliards de wons.
En conséquence, l'incident du jet a finalement permis à la Grande-Bretagne de bénéficier du programme JET.
--- p.287

Alors que des dispositifs tokamak géants tels que le JET de l'Union européenne, le TFTR des États-Unis, le T-15 de l'Union soviétique et le JT-60 du Japon commençaient à progresser vers la commercialisation de la fusion nucléaire, la recherche sur la fusion nucléaire est entrée dans une nouvelle ère et s'est retrouvée en concurrence féroce entre les pays.
--- p.294

Le JET de l'Union européenne, le seul réacteur à fusion au monde à utiliser du deutérium et du tritium comme combustible de fusion nucléaire, et le TFTR du laboratoire de physique des plasmas de Princeton aux États-Unis étaient engagés dans une compétition féroce où ils ne pouvaient céder d'un pouce.
La question était de savoir qui atteindrait Q = 1 en premier.
(…) En 1988, lors du congrès de la Société européenne de physique en Yougoslavie (aujourd'hui Croatie), deux scientifiques, l'un représentant les États-Unis et l'autre l'Europe, se lancèrent un défi. Robert Goldstone, de l'équipe TFTR, et Jean Giacchino, de l'équipe JET, parièrent sur l'équipe qui parierait la première à maintenir une puissance de fusion de 10 mégawatts pendant plus d'une seconde. Si l'équipe TFTR l'emportait, Giacchino offrirait un dîner français à toute l'équipe ; si c'était l'équipe JET, Goldstone enverrait des hamburgers McDonald's à toute l'équipe.
--- p.296

Le facteur déterminant était toutefois la forme de la section transversale du plasma. JET a pu améliorer significativement ses performances en installant un dispositif de dérivation afin d'empêcher la contamination du plasma par des impuretés.
De plus, en se référant aux recherches d'Artsimovich et Shapranov, la stabilité du plasma a été grandement améliorée en rendant la forme de la section transversale du plasma plus proche de la forme de la lettre D plutôt que d'un cercle.
Le TFTR, en revanche, était un plasma circulaire sans divertor.
(…) En 1997, le JET a injecté 24 mégawatts dans le plasma et a obtenu 16 mégawatts de puissance de fusion, avec un facteur d’amplification de l’énergie de fusion de 0,67.
Bien que ce temps ait été très court (à peine plus de 0,1 seconde) en mode H sans instabilité de bord, il s'agissait d'un record du monde. TFTR a tenté à plusieurs reprises de le battre, mais n'est finalement pas parvenu à surmonter cet obstacle.
Vaincue lors de la guerre, la TFTR a pris fin en beauté en 1997 après 15 ans d'activité.
Au lieu de cela, Princeton a relevé un nouveau défi en construisant le National Spherical Torus Experiment (NSTX), un dispositif tokamak sphérique avec un rapport plus petit entre les rayons majeur et mineur qu'un tokamak typique, suivant les traces du TFTR.

--- p.297