Fusion nucléaire : que signifient les couleurs fascinantes du plasma ?

Tokamak Energy a été fondée en 2009 au Royaume-Uni, à proximité d’Oxford. Bien dotée du point de vue financier – 200 millions de dollars collectés en 2022, puis 125 millions en 2024 – elle a battu plusieurs records technologiques. Et aujourd’hui, elle nous fournit de belles images, très utiles pour comprendre le fonctionnement d’un réacteur à fusion.

Le concept de Tokamak Energy est axé sur deux options technologiques : tout d’abord, le tokamak sphérique, réputé plus compact que ceux en forme de tore (comme ITER, par exemple), et d’autre part, des aimants supraconducteurs à haute température. Par haute température, il faut toutefois comprendre « un peu plus haute température que les autres supraconducteurs », car ils restent refroidis à des températures extrêmement basses, de l’ordre de 20 kelvins, c’est-à-dire -250 °C.

Le sujet qui nous occupe aujourd’hui est visuel, et il concerne une caméra couleur installée à l’intérieur de l’enceinte du tokamak. Il s’agit d’une caméra haute vitesse, capable de capter 16 000 images par seconde (fps). Cette caméra très spéciale permet d’observer les phénomènes qui se produisent à l’intérieur du réacteur à fusion, et de produire des images comme celle-ci.

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Des images essentielles pour la recherche

Ce que nous pouvons voir n’est que la partie du plasma qui émet dans la gamme visible du spectre lumineux. Et c’est la portion du plasma qui est la plus froide, en périphérie, car le cœur du plasma est bien trop chaud pour émettre à des longueurs d’ondes perceptibles par nos yeux. Comme le deutérium et le tritium émettent respectivement une lumière rouge et une lumière bleue, il en résulte ce halo rose que l’on observe dans l’enceinte. Sa portion plus vive, visible en haut à gauche de l’image, correspond à l’injection de deutérium.

Les étincelles rouges visibles en haut à droite correspondent à une poudre de lithium injectée dans le plasma. Lorsque le lithium est ensuite entraîné et chauffé par le plasma, il s’ionise (il perd un électron et devient du Li⁺) ; sous cette forme, le lithium émet une lumière verte. Il trace alors un anneau qui suit les lignes de champ magnétique.

Ces images, outre leur aspect esthétique, ont un réel intérêt scientifique. En particulier pour suivre le trajet du lithium dans le réacteur. L’objectif est ici de se servir du lithium comme d’un traceur permettant d’étudier le mouvement des gaz et du plasma dans le réacteur, avec pour finalité de renforcer la robustesse de ses composants vis-à-vis des conditions sévères qui leur sont imposées.