Joaquim Loizu reçoit le prix de l'IUPAP 2020 en physique des plasmas

La fusion nucléaire, source prometteuse d’énergie propre et sans risques, repose sur la génération, à l’intérieur de réacteurs expérimentaux, de plasmas très chauds, des gaz de particules chargées très instables. Dans ces plasmas, confinés par des champs magnétiques, les scientifiques cherchent à générer des équilibres stables, peu sensibles aux perturbations. Le but: éviter toute perte d’énergie due aux caprices du plasma, particulièrement dans les futurs prototypes de réacteurs commerciaux DEMO, qui viseront à produire de l’électricité. Pour ce faire, les chercheurs et chercheuses font appel à la magnétohydrodynamique (MHD), théorie physique qui explique le comportement des fluides conducteurs de charges électriques. « La MHD nous permet de prédire comment ce gaz très chaud qu’est le plasma va bouger et s’établir, peut-être, dans un équilibre. C’est-à-dire qu’on peut calculer où il va se positionner et quelle forme il prendra», explique Joaquim Loizu, physicien au Swiss Plasma Center de l’EPFL. 

Le chercheur contribue à une meilleure compréhension des équilibres magnétohydrodynamiques en 3D, à l’aide de développements théoriques et de simulation numérique. Ses travaux portent aussi sur les interactions entre le plasma et les parois solides des réacteurs. Deux axes de recherche pour lesquels il a reçu, en 2020, le prix de l’IUPAP (Union internationale de physique pure et appliquée) en physique des plasmas. Ce prix récompense chaque année un jeune chercheur international qui s’est particulièrement distingué dans sa discipline. 

3D versus 2D

Les équilibres magnétohydrodynamiques en 3D, qu’étudie Joaquim Loizu, sont principalement à l’œuvre dans les stellarators. Dans ces réacteurs expérimentaux, les champs magnétiques qui servent à confiner le plasma sont configurés en 3D, donc déformés. De ce fait, ces machines présentent une complexité plus grande que leurs cousins tokamaks, où les champs magnétiques sont façonnés en 2D, de manière symétrique, et où les particules tournent selon un schéma plus contrôlé.

Pourtant, les stellarators présentent un avantage clé. « Dans les tokamaks, un énorme courant électrique est généré à l’intérieur du plasma, ce qui peut amener à des instabilités hydrodynamiques. Donc les équilibres dans ce type de réacteur sont parfois instables. Les stellarators permettent d’éliminer ce problème », précise Joaquim Loizu. 

S’ils génèrent un plasma à l’équilibre beaucoup plus stable, les stellarators présentent aussi plus de difficultés en matière d’ingénierie et de prédiction mathématique. « Du point de vue mathématique, il y a des complexités qui émanent, par exemple sous forme de singularités – des infinis –, difficiles à traiter numériquement », estime le scientifique. Les travaux de Joaquim Loizu contribuent à établir ces équilibres et donc à prédire certaines caractéristiques de ces plasmas. En particulier, son approche devrait permettre de prédire la pression maximale à laquelle on peut amener le plasma, tout en gardant un équilibre magnétohydrodynamique qui confine bien les particules.

Interaction plasma parois solides

L’autre pan des recherches de Joaquim Loizu récompensé par le prix de l’IUPAP porte sur les interactions entre le plasma et les parois solides des réacteurs. Effectués principalement pendant sa thèse, ces travaux s’attellent à comprendre, d’un point de vue théorique, comment ces interactions affectent les courants et la turbulence à l’intérieur des plasmas. « Un défi majeur pour la fusion contrôlée, que ce soit dans un tokamak ou dans un stellarator, concerne la manière dont on évacue la chaleur du plasma. Cette chaleur s’échappe à cause de la turbulence. Il faut la canaliser vers des parties spécifiques du réacteur et veiller à ce qu’elle s’étale bien, sur une surface assez grande», détaille Joaquim Loizu. Ses travaux ont contribué à développer un code qui permet de simuler la turbulence au bord des tokamaks. A l’aide de ces simulations, les chercheurs peuvent prédire à quel endroit des parois du réacteur la chaleur va se déposer.