Le "Fuseur" – Introduction

La chambre du fuseur est l’un des dispositifs les plus simples dans lesquels on peut observer la fusion nucléaire, et pourtant elle reste visuellement et scientifiquement remarquable. Développé dans les années 1960 par Philo T. Farnsworth et Robert Hirsch, il a démontré que la fusion pouvait être obtenue non seulement dans les gigantesques réacteurs expérimentaux des laboratoires nationaux, mais aussi dans un dispositif de laboratoire compact. Au cœur du fuseur, il ne s’agit de rien de plus qu’une enceinte à vide équipée d’une grille interne, alimentée par une source de tension élevée. En fonctionnement, il produit une boule de plasma lumineuse, parfois traversée de fins rayons de lumière rappelant les pointes d’une étoile. Bien qu’il ne soit pas capable de générer une énergie utile, le fuseur continue de jouer un rôle important comme outil de recherche et d’enseignement.

En termes simples, le fuseur est la chambre en contact direct avec le plasma. Même si la température atteint plus de 50 millions de kelvins au cœur du plasma, elle est bien plus basse dans ses régions externes. Comprendre l’interaction entre ces différentes zones du plasma, ainsi que les particules de haute énergie issues de la fusion, avec la paroi de la chambre, est essentiel pour maintenir la stabilité du plasma, le confinement magnétique, etc. Dans certains cas, la première paroi est enrichie de matériaux capables de produire du tritium afin de soutenir la réaction de fusion. Par ailleurs, l’eau ou les sels fondus circulant dans cette chambre de fusion ouvrent la voie à l’extraction de l’énergie issue du processus de fusion.

Fonctionnement du fuseur

À l’intérieur de la chambre, une petite quantité de gaz de deutérium est introduite à très basse pression, généralement entre 1 et 20 millitorr (≈0,001–0,027 mbar). Une grille fine en fil métallique, placée au centre du réacteur, est portée à un fort potentiel négatif par rapport aux parois de la chambre. Ce champ électrique intense arrache les électrons et accélère les noyaux de deutérium vers le centre de la chambre. La plupart des ions traversent les mailles de la grille et oscillent d’un côté à l’autre de la zone centrale. Lorsqu’ils se croisent, certains entrent en collision avec suffisamment d’énergie pour surmonter leur répulsion électrostatique naturelle.

Le résultat de ces collisions est la fusion nucléaire. Dans les fuseurs alimentés en deutérium, le processus libère des particules rapides et des neutrons, détectables à l’extérieur de la chambre. Bien que l’efficacité globale de la machine soit très faible — la majorité de l’énergie étant perdue lorsque les ions frappent la grille — l’appareil démontre qu’il est possible de produire de la fusion dans un volume réduit, sans recourir à des aimants supraconducteurs ni à de puissants lasers.

Ce que l’on observe à l’intérieur

L’une des raisons pour lesquelles le fuseur continue de fasciner réside dans son apparence en fonctionnement. À basse tension, la chambre se remplit d’une faible lueur violette ou bleutée, typique d’un gaz ionisé. Lorsque la tension augmente et que la pression est ajustée, des faisceaux lumineux de plasma se forment, projetés vers l’extérieur à travers les ouvertures de la grille interne. Ce régime, appelé "mode étoile" semblant suspendue au cœur de l’enceinte. La grille interne elle-même chauffe souvent jusqu’à l’incandescence, brillant vivement sous l’effet de l’énergie ionique qu’elle absorbe. Ce spectacle visuel établit un lien direct entre la physique en jeu et ce que l’observateur peut réellement voir.

Types de fuseurs

Bien que le fuseur classique soit de forme sphérique, ce n’est pas la seule conception utilisée. Les premiers dispositifs de Farnsworth–Hirsch comportaient des grilles sphériques concentriques à l’intérieur de sphères métalliques d’environ vingt à trente centimètres de diamètre. Des adaptations ultérieures ont introduit des chambres cubiques fabriquées à partir de composants standards de vide en acier inoxydable, équipées de grilles internes sphériques ou polyédriques — populaires dans les laboratoires car plus faciles à assembler et offrant davantage de fenêtres d’observation. Des fuseurs cylindriques ont également été testés, produisant un plasma qui se comporte davantage comme des faisceaux dirigés que comme un foyer central. Dans tous les cas, le principe reste le même : les ions sont accélérés vers le centre par un champ électrique et se rencontrent à proximité du cœur de l’enceinte.

Exemples à travers le monde

Le fuseur Farnsworth–Hirsch (années 1960)

Les tout premiers fuseur ont été construits au début des années 1960 par Philo T. Farnsworth et Robert Hirsch. Ces dispositifs sphériques, généralement d’environ 20 cm de diamètre, fonctionnaient à plusieurs dizaines de kilovolts et à des pressions proches de 0,01 mbar, produisant des flux de neutrons de l’ordre de 10⁴–10⁵ par seconde. Leurs résultats, décrits dans l’article de Hirsch publié en 1967 dans le Journal of Applied Physics, ont apporté la première preuve concluante que le confinement électrostatique inertiel pouvait générer une fusion nucléaire mesurable.

Université de l’Illinois (groupe de George Miley)

À l’université de l’Illinois, l’équipe de George Miley a développé des fuseurs sphériques de taille moyenne, d’environ 25 cm de diamètre. Fonctionnant entre 40 et 60 kV et à des pressions comprises entre 0,002 et 0,01 mbar, ils ont atteint des rendements en neutrons de l’ordre de 10⁶–10⁷ par seconde. Leurs travaux ont documenté la transition vers le mode étoile et étudié l’influence de la recirculation ionique et de la transparence de la grille sur les performances.

Tokamak ITER (France)

La chambre d’ITER est une gigantesque enceinte à vide en forme de tore (donut) pesant 8 000 tonnes, avec un volume interne de plus de 800 m³. À l’intérieur, des bobines magnétiques génèrent des champs suffisamment puissants pour confiner un plasma porté à plus de 150 millions de °C. Contrairement à la grille métallique d’un fuseur, ITER utilise le confinement magnétique pour maintenir le plasma chaud éloigné des parois. Ces dernières sont blindées de béryllium et de tungstène afin de résister à la chaleur intense et au bombardement neutronique. L’objectif d’ITER est de produire 500 MW de puissance de fusion à partir de 50 MW de chauffage, démontrant ainsi un gain net d’énergie à l’échelle d’un réacteur.

/ Image credit: © ITER Organization (www.iter.org)

Stellarators (Wendelstein 7-X, Allemagne)

Le stellarator Wendelstein 7-X, en Allemagne, adopte une approche différente. Sa chambre est un tore hautement complexe et torsadé, assemblé à partir de 50 aimants supraconducteurs non plans. Le volume de plasma est de 30 m³, bien inférieur à celui d’ITER, mais sa géométrie magnétique est conçue pour confiner le plasma sans recourir aux immenses courants internes nécessaires aux tokamaks. Le W7-X a atteint des impulsions de plasma records de 30 minutes, prouvant que le concept de stellarator peut offrir une stabilité à long terme.

Photo: IPP / J. Liebich — via EUROfusion: ‘A cooled exhaust for Wendelstein 7-X

Chambres à laser (National Ignition Facility, États-Unis)

Au National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis, la « chambre » est une sphère de 10 mètres de diamètre, tapissée d’aluminium et équipée de ports de diagnostic. Au lieu de grilles ou d’aimants, 192 lasers géants convergent sur une minuscule capsule de combustible au centre de cette chambre, la comprimant à des densités extrêmes pendant une fraction de seconde. En 2022, le NIF a atteint l’ignition, produisant plus d’énergie de fusion que l’énergie laser injectée dans le combustible, même si l’installation dans son ensemble consommait encore davantage de puissance. Cette approche est connue sous le nom de fusion par confinement inertiel.

Image credit: Nature, “Burning plasma achieved in inertial fusion”, Springer Nature. Fig. 1: Schematic of the indirect-drive inertial confinement approach to fusion.

Université du Wisconsin–Madison

L’Institut de technologie de la fusion de l’Université du Wisconsin–Madison a construit certains des fuseurs à grille les plus performants. Ces dispositifs, souvent de 30 à 35 cm de diamètre, intégraient des canons à ions pour améliorer le focalisation. Fonctionnant entre 120 et 190 kV et à des pressions très basses (~0,001–0,003 mbar), ils produisaient en régime stationnaire plus de 10⁸ neutrons par seconde et atteignaient des pics supérieurs à 10⁹ en mode pulsé.

Université de technologie d’Eindhoven (TU/e, Pays-Bas)

En 2018, des étudiants de la TU/e, aux Pays-Bas, ont construit un fuseur dans le cadre du programme éducatif FuseNet. Leur appareil utilisait une chambre cubique en acier inoxydable de 20 cm, équipée d’une grille interne sphérique. Fonctionnant à environ 25 kV et 0,005–0,008 mbar, il a généré ses premiers neutrons mesurables, entre 10³ et 10⁴ par seconde. Le rapport FuseNet présente des photos détaillées du plasma en mode étoile.

Fuseurs commerciaux scellés

Plusieurs entreprises fabriquent des générateurs de neutrons scellés, basés sur les principes du fuseur. Par exemple, la société Starfire Industries produit la série nGen, capable de générer jusqu’à 10⁷ neutrons par seconde en régime D–D continu (évaluation ORNL, 2023). Le Thermo Fisher MP320, autre modèle commercial, atteint environ 2 × 10⁶ neutrons par seconde. Contrairement aux fuseurs de recherche ouverts, ces unités scellées sont portatives et robustes, utilisées pour la diagraphie de puits pétroliers, l’inspection de cargaisons ou l’étalonnage de détecteurs.

Fuseurs amateurs et expérimentateurs indépendants

Une communauté mondiale d’amateurs s’est appropriée le fuseur comme projet technique à la fois exigeant et réalisable. Les montages typiques utilisent des sphères ou cubes de 15 à 25 cm, fonctionnant entre 20 et 40 kV et à ~0,002–0,01 mbar de deutérium. La plupart obtiennent leurs « premiers neutrons » à quelques milliers par seconde, tandis que des réalisations plus avancées atteignent des millions. Des projets en ligne comme le TeslaBoys Fusor Project ou le Nuclear Physics Lab Fusor II publient des journaux de construction détaillés, des photos de plasma et des notes de sécurité, inspirant une nouvelle génération de passionnés.

Pourquoi les fuseurs comptent

Même si le fuseur ne rivalisera jamais avec les tokamaks ou les lasers pour la production d’énergie, son importance réside dans son accessibilité et sa valeur démonstrative. Du choix des matériaux à la conception des chambres, les décisions techniques conditionnent toute réaction de fusion.

• Tungstène : longtemps privilégié pour ses atouts (point de fusion élevé, faible absorption du tritium, faible taux de pulvérisation), il présente néanmoins un inconvénient majeur : les atomes de tungstène introduits dans le plasma émettent des radiations de raies qui refroidissent et peuvent éteindre la réaction de fusion.
• Béryllium : envisagé pour ITER car léger (4ᵉ élément du tableau périodique) et entièrement ionisé dans le plasma, ses impuretés refroidissent moins que celles du tungstène. Il capture aussi les impuretés d’oxygène, a une haute conductivité thermique et agit comme multiplicateur de neutrons, soutenant la production de tritium. Mais il s’use vite (fort taux de pulvérisation), subit des contraintes mécaniques liées aux courants induits, est hautement toxique (poussières dangereuses) et rare. ITER aurait eu besoin d’environ 12 tonnes. Pour ces raisons, ITER a abandonné en 2023 son plan initial de première paroi en béryllium et est revenu au tungstène, plus sûr pour une installation expérimentale, même si la fusion commerciale devra recourir à des matériaux multiplicateurs de neutrons.

Pour les étudiants, le fuseur offre une vision directe et pratique de la physique des plasmas et des réactions nucléaires. Pour les chercheurs, il constitue une plateforme flexible pour étudier les lois d’échelle, la détection de neutrons et les instabilités plasmiques. Pour l’industrie, les dérivés scellés fournissent des sources compactes de neutrons pour l’imagerie, l’inspection et l’étalonnage. Pour les passionnés, il représente un pont entre théorie et pratique — beaucoup de scientifiques professionnels de la fusion ont commencé en construisant un fuseurs à l’école ou chez eux.

Considérations de sécurité

Malgré leur petite taille, les fuseurs doivent être manipulés avec prudence :

• les tensions utilisées (20–80 kV) sont létales si elles sont mal gérées ;
• les enceintes sous vide comportent un risque d’implosion si elles ne sont pas correctement construites ;
• en fonctionnement, des rayons X de freinage (bremsstrahlung) apparaissent au-dessus de ~20 kV, nécessitant un blindage ;
• les fuseurs alimentés en deutérium émettent des neutrons rapides à 2,45 MeV, imposant un suivi dosimétrique et une protection adéquate ;
• les systèmes commerciaux utilisant du tritium sont soumis à des réglementations encore plus strictes en raison des risques radiologiques.