Des chercheurs chinois ont annoncé une avancée significative dans la recherche sur l'énergie de fusion, démontrant un fonctionnement stable du plasma au-delà des limites de densité établies de longue date lors d'expériences menées sur le tokamak expérimental avancé à supraconductivité (EAST). Détaillés dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances, ces travaux montrent que les plasmas de fusion peuvent accéder à un « régime sans densité », ce qui pourrait lever un obstacle majeur de l'allumage de la fusion nucléaire et ouvrir une nouvelle voie vers une production d'énergie propre et pratique.Un tokamak est une machine qui utilise un puissant champ magnétique généré par des aimants externes pour confiner le plasma sous la forme d'un tore à symétrie axiale. Le tokamak est le principal candidat parmi les modèles de fusion à confinement magnétique actuellement développés pour produire de l'énergie thermonucléaire contrôlée.
Dans ce qui pourrait constituer une nouvelle étape importante pour la recherche sur l'énergie de fusion, des chercheurs chinois ont annoncé avoir atteint un état jusqu'alors uniquement théorique pour les plasmas de fusion, permettant un fonctionnement stable dans des conditions dépassant largement les limites normales. Cette avancée a été réalisée lors d'expériences menées avec l'Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) chinois, qui aurait produit des plasmas de fusion dans un « régime sans densité », surmontant ainsi un obstacle de longue date à l'allumage de la fusion nucléaire.
Ces travaux s'inscrivent dans une série de progrès récents enregistrés par le programme chinois de fusion. En janvier 2025, le tokamak expérimental EAST, souvent présenté comme le « soleil artificiel » chinois, avait établi un record en maintenant en fonctionnement un plasma à plus de 100 millions de degrés Celsius pendant près de 18 minutes. Cette performance a marqué un bond en avant considérable par rapport au précédent record de 403 secondes (soit près de 7 minutes), illustrant ainsi la montée en puissance du programme chinois dans la course à la fusion nucléaire.
Les conclusions de l'équipe de chercheurs chinois ont été présentées dans une nouvelle étude intitulée « Accessing the density-free regime with ECRH-assisted ohmic start-up on EAST » et publiée le 1er janvier 2026 dans la revue Science Advances. Cette étude offre une nouvelle perspective sur la manière de surmonter l'un des obstacles les plus importants à l'énergie de fusion pratique.
Évolution dans le temps des paramètres clés dans les décharges à densité limite avec une puissance ECRH variable
La limite de densité du plasma
Dans un contexte où l'accès à une énergie propre et durable suscite de plus en plus d'inquiétudes, la fusion nucléaire est depuis longtemps considérée comme l'une des voies les plus prometteuses pour les sources d'énergie futures.
Malgré son potentiel, l'exploitation de la fusion nucléaire est plus facile à dire qu'à faire, car elle implique des réactions de fusion entre le deutérium et le tritium qui nécessitent de chauffer le plasma à environ 150 millions de kelvins, une température qui ne représente qu'une fraction des conditions extrêmes qui règnent naturellement à la surface du Soleil.
Néanmoins, atteindre de telles températures dans les tokamaks conventionnels (dispositifs utilisés par les physiciens pour mener des expériences de fusion contrôlée avec des plasmas chauds) est difficile en raison de la limite supérieure actuellement connue de la densité du plasma pouvant être atteinte. En effet, des niveaux d'énergie supérieurs à cette limite entraînent généralement des instabilités qui non seulement affectent le confinement du plasma, mais provoquent également des perturbations pouvant endommager les tokamaks.
Une percée dans le domaine de l'allumage par fusion
Les travaux récemment publiés dans Science Advances sont importants, car les expériences menées dans le cadre du projet EAST démontrent désormais que la limite de densité du plasma, qui a longtemps restreint les capacités opérationnelles des tokamaks, pourrait enfin avoir été dépassée.
La recherche, codirigée par le professeur Zhu Ping de l'université des sciences et technologies de Huazhong et le professeur associé Yan Ning des instituts de sciences physiques de Hefei de l'Académie chinoise des sciences, détaille la réalisation de plasmas à haute densité au sein de l'EAST, qui pourraient prolonger les périodes de fonctionnement stable sans provoquer de perturbation du plasma.
Au cœur des travaux de l'équipe chinoise se trouve un concept novateur connu sous le nom de théorie de l'auto-organisation plasma-paroi (PWSO), qui offre une approche unique pour surmonter la limite de densité du plasma. Cette approche théorique, développée pour la première fois par le physicien français Dominique Franck Escande et ses collègues du Centre national de la recherche scientifique et de l'université d'Aix-Marseille, soutient que la clé pour surmonter les problèmes de densité du plasma réside dans l'obtention de conditions harmonieuses entre le plasma à l'intérieur du tokamak et ses parois métalliques, où les forces physiques ont un impact croissant sur les plasmas et leur confinement à mesure que la température augmente.
Vérification de la théorie PWSO
Bien que la théorie PWSO ait été initialement introduite en 2021, elle n'avait jusqu'à présent pas encore été vérifiée dans la pratique. Selon l'équipe de recherche chinoise, les récentes expériences menées avec l'EAST ont permis de démontrer la validité du concept en combinant un contrôle minutieux de la pression du combustible et une augmentation de la température pendant la phase de démarrage initial du fonctionnement du tokamak. Pendant cette période, le chauffage par résonance cyclotronique des électrons est déclenché et, grâce à un contrôle optimal de la pression du combustible et du chauffage, les interactions entre le plasma et les parois deviennent plus faciles à gérer dès le début.
Les chercheurs de l'EAST indiquent que l'utilisation de ce procédé permet de réduire les interactions potentiellement néfastes entre les plasmas chauffés et la paroi du tokamak, de limiter l'accumulation d'impuretés pendant le confinement et de réduire les pertes d'énergie globales.
Relation entre la limite de densité et plusieurs paramètres clés dans les décharges avec différents niveaux de pression de gaz prérempli pendant la phase de démarrage et deux puissances ECRH différentes.
Dépassement des limites empiriques
« Les résultats suggèrent une voie pratique et évolutive pour repousser les limites de densité dans les tokamaks et les dispositifs de fusion à plasma brûlant de nouvelle génération », a déclaré le professeur Zhu Ping dans un communiqué.
Les plasmas produits à l'EAST ont atteint avec succès l'état théorique sans densité initialement évoqué par Escande et ses collègues, selon la théorie PWSO, leur permettant de rester stables même à des densités bien supérieures aux limites empiriques passées.
« Ces résultats suggèrent un schéma prometteur pour augmenter considérablement la limite de densité dans les tokamaks », rapporte l'équipe dans sa récente étude, qualifiant cette avancée de « progrès décisif vers la réalisation d'un plasma brûlant ».
Dans l'ensemble, les récentes expériences de l'EAST contribuent à ouvrir la voie à une meilleure compréhension de la dynamique de la densité du plasma, ce qui aidera à prévenir les perturbations en fournissant des informations cruciales pour faire progresser le fonctionnement stable des tokamaks dans la poursuite de l'allumage de la fusion.
À l'avenir, les chercheurs chinois affirment vouloir appliquer les conclusions tirées de leurs expériences à d'autres expériences de confinement du plasma à l'EAST, où des efforts supplémentaires seront entrepris pour dépasser la limite de densité du plasma.
Le résumé de l'étude publiée dans Science Advances est présenté ci-dessous :
Un fonctionnement à haute densité de plasma est essentiel pour qu'un tokamak atteigne le seuil de rentabilité énergétique et...
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