Comment le cœur des plasmas des futures centrales de fusion se comportera-t-il ? Quels seront les effets physiques liés à la présence de particules alpha, produites directement par les réactions de fusion, sur la stabilité du plasma ? Un nouvel article de revue propose une synthèse des travaux récents consacrés à l’interaction entre les particules rapides, les instabilités qu’elles peuvent exciter, et les mécanismes non linéaires qui influencent le transport turbulent, et par conséquent les performances globales des plasmas de fusion.
Dans les futures centrales de fusion, le combustible principal sera un mélange de deutérium et de tritium. Les réactions de fusion entre ces deux noyaux produisent, dans le cœur du plasma, des particules alpha d’une énergie de 3.5 MeV. Cette énergie est très supérieure à celle des ions thermiques du plasma, ce qui implique une séparation nette des échelles d’énergie. Dans ces conditions susceptibles de déclencher des instabilités à haute fréquence, dans un contexte de forte pression du plasma et donc de puissants effets électromagnétiques, des interactions multi-échelles complexes peuvent apparaître : elles sont difficiles à prévoir et potentiellement défavorables au confinement. Si certains effets des particules alphas générées par les réactions de fusion ont pu être directement observés dans les campagnes deutérium-tritium menées sur le tokamak européen JET, leur faible quantité en comparaison de ce qui est prévu dans les futurs plasmas de fusion rend les extrapolations délicates. De manière générale, dans les tokamaks actuels, la majorité des ions rapides sont générés par des systèmes de chauffage externes, tels que, par exemple, le chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH) dans le tokamak WEST. Toutefois, les énergies atteintes par ces ions rapides sont généralement inférieures à celles des particules alpha. Par conséquent, l’exploration expérimentale des régimes non-linéaires attendus dans les plasmas en combustion (burning plasmas, plasmas auto-chauffés), dans lesquels les effets des alphas dominent, reste encore très limitée.
Ce domaine de recherche a connu un regain d’intérêt à la suite de découvertes majeures concernant l’interaction entre ions rapides et turbulence du plasma. Ces travaux s’inscrivent dans une dynamique engagée entre les années 2000 et 2010, lorsque des effets bénéfiques des ions rapides sur le confinement et les performances globales ont été observés dans le tokamak JET. Des simulations numériques avancées ont ensuite montré que des phénomènes complexes (impliquant des instabilités à haute fréquence, de l’ordre de 100 kHz excitées par les particules rapides) et leur interaction non linéaire et multi-échelles avec des perturbations spécifiques du champ électrostatique, appelées zonal flows, pouvaient conduire à une amélioration significative des performances du plasma de cœur. Ces mécanismes entraînent notamment une forte réduction de la turbulence aux échelles millimétriques, caractéristiques des ions thermiques.
Au cours des quinze dernières années, l’intérêt croissant pour l’interaction entre ions rapides et turbulence, et donc pour son impact sur les propriétés de confinement du cœur du plasma, a donné lieu à de nombreux travaux expérimentaux, théoriques et de modélisation. L’objectif est de comprendre, quantifier et éventuellement exploiter ces effets, compte tenu de leur importance potentielle pour améliorer le confinement et accélérer la viabilité économique de l’énergie de fusion. C’est précisément l’objet de l’article coordonné par le CEA/IRFM [1], récemment publié dans Reviews of Modern Plasma Physics. Ce travail propose une synthèse des études portant sur les différentes interactions possibles entre ions rapides et turbulence de fond, en mettant l’accent sur un mécanisme non linéaire particulier. Celui-ci implique des ions rapides de haute énergie, générés de manière externe (jusqu’à 1–2 MeV), des instabilités alfvéniques et des zonal flows. Étudié pendant plusieurs années, ce mécanisme a fait l’objet de confirmations expérimentales, soutenues par une validation par des simulations numériques, d’abord dans le tokamak JET, puis dans d’autres machines. Concrètement, les ions rapides, qui, à ces énergies, reproduisent en bonne approximation la dynamique des particules alpha, déstabilisent des modes alfvéniques appelés Toroidal Alfvén Eigenmodes (TAE). Ces modes interagissent ensuite de manière non linéaire via un couplage onde-onde avec les zonal flows, qui ont un effet bénéfique en réduisant l’amplitude de la turbulence, comme illustré sur la figure ci-dessous. Cette réduction se traduit par un confinement nettement amélioré du plasma, permettant d’atteindre des températures ioniques et électroniques beaucoup plus élevées.
Sans les ions rapides (gauche), la turbulence domine. Avec les ions rapides (droite), des zonal flows sont générés par interaction non linéaire et ils sont orientés principalement dans la direction poloïdale, et n’induisent pas de transport radial en améliorant ainsi le confinement.
Ce mécanisme constitue également l’axe central d’un projet ANR « Jeunes Chercheuses et Jeunes Chercheurs » obtenu en 2025. Celui-ci vise à étendre son application au tokamak WEST, afin d’en rechercher une confirmation expérimentale dans un nouveau régime de plasma, et d’en comprendre en détail tous les ingrédients physiques. L’objectif est d’identifier précisément le rôle de chaque acteur dans l’amélioration du confinement : ions rapides, modes alfvéniques, zonal flows et turbulence. À terme, une telle compréhension pourrait ouvrir la voie à un contrôle actif de ce mécanisme, permettant d’optimiser le confinement du plasma et d’atteindre durablement des températures ioniques et électroniques plus élevées dans les futures centrales de fusion.
[1] Mazzi, S., Garcia, J., Kazakov, Y.O. et al. Fast Ion Interaction with Turbulence Mediated by Zonal Flows in Tokamak Plasmas: Overview of the Recent Insights. Rev. Mod. Plasma Phys. 10, 1 (2026)