La réalisation de plasmas de longues durées dans un dispositif de fusion magnétique nécessite le contrôle du plasma pendant une durée bien supérieure au temps de confinement de l’énergie et des particules qui est de l’ordre de 100 millisecondes dans le tokamak WEST et de 2 secondes dans ITER. Il faut ainsi se rapprocher des échelles de temps d’équilibre des interactions entre le plasma et la paroi où les processus physiques évoluent sur des temps longs, comme par exemple les processus de saturation en hydrogène des parois ou d'érosion des surfaces. L’amélioration simultanée de la durée et de la performance fusion nécessite une vision intégrée des aspects physiques et technologiques qui est mise en œuvre par un effort international comprenant :

• (1) un programme expérimental et de simulation sur les tokamaks et les stellarators ;
• (2) un programme de R&D technologique sur des installations dédiées (par exemple, composants activement refroidis, aimants supraconducteurs) ;
• (3) des méthodes de contrôle pour maintenir un plasma de fusion auto-entretenu dans un domaine de fonctionnement sûr et stable, "transférable" à ITER et au-delà.

A cette fin, l'Agence internationale de l'énergie (AIE) et l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) ont créé en 2020 un réseau d'experts baptisé CICLOP, qui signifie « Coordination on International Challenges on Long duration OPeration ». Le clin d'œil à la mythologie grecque pourrait ne pas être uniquement un hasard, car les Cyclopes étaient réputés être des artisans talentueux repoussant les limites du savoir-faire ! [cf. ITER news https://www.iter.org/newsline/-/3823].  Le groupe est présidé par un expert du CEA (France) avec deux vice-présidents du Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (Allemagne) et du National Institute for Fusion Science (Japon).

Les objectifs du groupe CICLOP sont de promouvoir et de coordonner des expériences, de collecter et de partager les meilleures pratiques sur la mise en œuvre des plasmas de longue durée. En 2022, cette activité a été rapportée, dans le cadre de la conférence de l'AIEA consacrée à l'opération des décharges longues des dispositifs de fusion [14-16 novembre 2022, siège de l'AIEA, Vienne, Autriche, https://conferences.iaea.org/event/258/].

Un effort significatif a été déployé pour collecter et analyser une base de données multi-machines avec des données provenant d'expériences de dix tokamaks^[1] et de deux stellarators^[2]. La base de données est accessible via une page web ouverte de l'AIEA.

En pratique réaliser une opération continue à haute performance est difficile car cela nécessite l'injection d'une puissance élevée pour chauffer le plasma pour être ensuite extraite de manière continue sans dépasser les limites technologiques des composants faisant face au plasma. Pour caractériser et comparer la capacité d'évacuation de la chaleur des différentes installations dans le monde, un indicateur simple a été défini comme le rapport de la puissance de chauffage du plasma, P, normalisée à la surface du plasma, S, P/S. Ce rapport a été tracé en fonction de la durée de la phase de haute performance fusion (graphe ci-contre). L'analyse met en évidence le défi en termes de capacité d'évacuation de chaleur pour les plasmas de longue durée qui est abordé en France sur le Tokamak WEST en préparation de l'opération d'ITER.

Par ailleurs, le gain en puissance fusion représenté dans la figure ci-dessous par la pression normalisée du plasma, appelée β_N (pression thermique du plasma divisée par la pression du champ magnétique fois un facteur de normalisation), a été calculé et tracé en fonction de la durée de la phase haute performance fusion. Pour une opération continue et un gain élevé en puissance fusion, il est nécessaire de fonctionner à des valeurs élevées de β_N tout en restant stable. La figure indique une réduction significative de la performance fusion en augmentant la durée. Le scénario de référence d’ITER vise un β_N de 1.8 tandis que les projets de centrale fusion visent souvent des β_N>2.5. Il faut noter que JT-60SA, récemment mis en service, a pour mission l’exploration des scénarios à fort β_N sur les temps longs en vue de l’optimisation du rendement des centrales fusion.