vignette| L'explosion de la bombe à hydrogène Ivy Mike. La bombe à hydrogène est le seul dispositif actuellement capable d'atteindre un facteur de gain d'énergie de fusion nettement supérieur à 1. En technologie des réacteurs à fusion nucléaire, le facteur de gain d'énergie de fusion, que l'on exprime couramment à l'aide du symbole Q, est le rapport entre la puissance de fusion produite par le réacteur et la puissance auxiliaire fournie pour maintenir le plasma en régime stationnaireWurzel, Samuel E., and Scott C. Hsu. "Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion." arXiv preprint arXiv:2105.10954 (2021).. La situation pour laquelle Q = 1, lorsque la puissance libérée par les réactions de fusion est égale à la puissance de chauffage auxiliaire, est appelée seuil de rentabilité (« breakeven » dans la littérature anglo-saxonne). Certains ouvrages parlent parfois de seuil de rentabilité scientifique (« scientific breakeven » dans la littérature anglo-saxonne).
Une partie de l'énergie produite par les réactions de fusion peut être capturée au sein du combustible, entraînant un auto-échauffement. Le reste de l'énergie de fusion est produit sous une forme qui ne peut pas être capturée par le plasma. Pour cette raison, un système ayant un facteur de gain Q = 1 se refroidira si on ne maintient pas une source de chaleur auxiliaire. Dans le cas des combustibles utilisés dans la pratique, l'auto-échauffement au sein du plasma ne représente qu'environ 20 % de l'énergies produite par les réactions de fusion. Pour cette raison, pour que l'auto-échauffement puisse remplacer les sources auxiliaires, le facteur de gain doit atteindre une valeur d'au moins Q ≈ 5 pour qu'il soit possible d'arrêter le chauffage externe. À ce stade, la réaction devient auto-entretenue, une condition appelée combustion, ce qui est généralement considéré comme hautement souhaitable pour les conceptions de réacteurs pratiques. L'ignition correspond à une valeur de Q infinie, auquel cas aucun apport d'énergie ne serait nécessaire pour démarrer les réactions de fusion auto-entretenues dans le plasma.
Au fil du temps, d'autres termes apparentés sont entrés dans le jargon de la fusion nucléaire. L'énergie qui n'est pas capturée dans le combustible s'échappe par les parois du réacteur et peut être capturée à l'extérieur pour produire de l'électricité. Cette électricité peut à son tour être utilisée pour chauffer le plasma à des températures opérationnelles. Un système auto-alimenté de cette manière est considéré comme fonctionnant au seuil de rentabilité technique (« engineering breakeven » dans la littérature anglo-saxonne). Une machine qui fonctionnerait au-dessus du seuil de rentabilité technique, produirait plus d'électricité qu'elle n'en consommerait et l'excédent pourrait être vendu. Dans le cas d'une machine qui permettrait de vendre suffisamment d'électricité pour couvrir ses propres coûts d'exploitation, on parle parfois de seuil de rentabilité économique (« economic breakeven » dans la littérature anglo-saxonne). De plus, les combustibles de fusion, en particulier le tritium, sont très chers, et de nombreuses expériences sont menées avec des gaz de test, comme l'hydrogène ou le deutérium, bien meilleur marché. Un réacteur fonctionnant avec ces combustibles et qui atteindrait les conditions de seuil de rentabilité si du tritium était introduit, est considéré comme étant rentable, et ce seuil théorique est appelé seuil de rentabilité extrapolé (« extrapolated breakeven » dans la littérature anglo-saxonne).
En 2021, le record pour la valeur de Q était détenu par le National Ignition Facility (NIF) du laboratoire national Lawrence Livermore (en anglais : Lawrence Livermore National Laboratory, ou LLNL) en Californie, avec Q = () / () ≈ 0,70, atteint pour la première fois en . Le record le plus élevé pour un seuil de rentabilité extrapolé a été enregistré par l'appareil JT-60 au Japon, avec Qext = 1,25, dépassant légèrement le précédent record de 1,14 du Joint European Torus (JET). Le réacteur thermonucléaire expérimental international (en anglais : International thermonuclear experimental reactor, ou ITER) avait été conçu à l'origine pour atteindre l'ignition, mais a été révisé pour atteindre Q = 10, produisant de puissance de fusion à partir de de puissance thermique auxiliaire injectée.
Le , le département de l'Énergie des États-Unis (en anglais : United States Department of Energy, ou DoE) a annoncé qu'un facteur de gain supérieur à 1 avait été atteint par le NIF en utilisant un dispositif de fusion par confinement inertiel. Les délivrés sur la cible ont permis de produire de réactions de fusion. Ceci équivaut à un facteur de gain Q = 1,54. C'est la première fois qu'un facteur de gain Q > 1 a été atteint dans l'histoire de la fusion nucléaire (en dehors des armes thermonucléaires).
Concept Le facteur de gain Q est simplement le rapport entre la puissance Pfus dégagée par les réactions de fusion dans le plasma et la puissance auxiliaire Paux fournie par le système de chauffage dans les conditions normales de fonctionnement. Pour les conceptions qui ne fonctionnent pas en régime stationnaires, mais plutôt par impulsions, le même calcul peut être effectué en additionnant toute l'énergie de fusion produite au cours de l'impulsion dans Pfus et toute l'énergie fournie pour produire l'impulsion dans Paux. Ceci permet aux systèmes qui n'atteignent jamais les conditions de régime stationnaire de calculer un facteur de gain.
Il existe plusieurs définitions du seuil de rentabilité qui tiennent compte des différentes pertes d'énergie. Elles sont présentées ci-dessous.
Seuil de rentabilité En 1955, John Lawson a été le premier à explorer en détail les mécanismes de l'équilibre énergétique, initialement dans des ouvrages classifiés, mais publiés ouvertement dans un article de 1957 désormais célèbre. Dans cet article, il examinait et affinait les travaux de chercheurs antérieurs, notamment Hans Thirring, Peter Thonemann, et un article de synthèse de Richard Post. L'article de Lawson faisait des prédictions détaillées sur la quantité d'énergie qui serait perdue par divers mécanismes, et la comparait à l'énergie nécessaire pour permettre d'entretenir la réaction. L'équilibre entre les deux est aujourd'hui connu sous le nom de critère de Lawson.
La définition la plus élémentaire du seuil de rentabilité est lorsque Q = 1, c'est-à-dire lorsque Pfus = Paux.
Certains travaux parlent de seuil de rentabilité scientifique lorsqu'ils font référence à cette définition, pour la distinguer de termes similaires. Cependant, cet usage est rare en dehors de certains domaines, notamment celui de la fusion par confinement inertiel, où le terme est largement utilisé. Les dispositifs inertiels, et de nombreuses conceptions similaires, ne tentent pas de maintenir l'équilibre mais simplement de capter l'énergie produite. Dans ce cas, Paux considère toute l'énergie nécessaire pour produire la réaction, que ce soit un chauffage direct ou d'autres systèmes tels que les lasers ou la compression magnétique.
Seuil de rentabilité extrapolé Depuis les années 1950, la plupart des conceptions de réacteurs à usage commercial sont basées sur un mélange de deutérium et de tritium comme combustible principal. D'autres combustibles ont des caractéristiques attrayantes mais sont beaucoup plus difficiles à porter au seuil d'ignition. Le tritium est radioactif, hautement bioactif et hautement mobile. Il représente donc un problème de sécurité important, ce qui augmente les coûts de conception et d'exploitation d'un tel réacteur.
Dans le but de réduire ces coûts, de nombreuses machines expérimentales sont conçues pour fonctionner uniquement avec des combustibles d'essai à base d'hydrogène ou de deutérium, en excluant le tritium. Dans ce cas, on utilise le terme de seuil de rentabilité extrapolé pour faire référence au facteur de gain Qext attendu de la machine qui fonctionnerait au carburant deutérium-tritium, basé sur le facteur de gain Q obtenu lors du fonctionnement avec l'hydrogène ou le deutérium seul.
Les records de performances extrapolées sont supérieurs aux records de performances scientifiques. Le JET et le JT-60 ont tous les deux obtenu des valeurs d'environ Qext = 1,25 (voir ci-dessous pour plus de détails) lorsqu'ils fonctionnent avec du carburant deutérium-deutérium (DD). Lors de fonctionnement avec du carburant deutérium-tritium (DT) (uniquement possible avec le JET), la performance maximale est d'environ la moitié de la valeur extrapolée.
Seuil de rentabilité technique Un autre terme apparenté est le seuil de rentabilité technique, qui considère la possibilité d'extraire l'énergie du réacteur, de la transformer en énergie électrique et d'en réinjecter une partie dans le système de chauffage. Cette boucle fermée, qui renvoie l'électricité produite à partir de l'énergie de la fusion vers le système de chauffage, est connue sous le nom de « recirculation ». Dans ce cas, la définition de base du facteur de gain change en ajoutant des termes d'efficacité supplémentaires à Pfus pour tenir compte de ces processus.
Les réactions de type DT libèrent la majeure partie de leur énergie sous forme de neutrons et une plus petite quantité sous forme de particules chargées comme les particules alpha. Les neutrons sont électriquement neutres et finirons par sortir de tout dispositif de fusion par confinement magnétique (FCM). Dans le cas des dispositifs de fusion par confinement inertiel (FCI), malgré des densités de plasma très élevées, les neutrons ont également tendance à s'échapper facilement du plasma de ces machines. Ceci signifie que seules les particules chargées issues des réactions de fusion peuvent être capturées au sein de la masse du combustible et donner lieu à un auto-échauffement. Si la fraction de l'énergie acquise par les particules chargées est fch, alors la puissance de ces particules est Pch = fchPfus. Si ce processus d'auto-échauffement est parfait, c'est-à-dire que toute la puissance Pch est capturé par le combustible, cela signifie que la puissance de fusion transportée par les particules qui s'échappent du plasma, (1 − fch)Pfus, est disponible pour produire de l'électricité.
La puissance Pchauf totale qui est apportée au plasma pour le chauffer est donc composée de Paux et de Pch, desquelles il faut retrancher la puissance rayonnée par les particules en mouvement au sein du plasma, Pbrem. Cette puissance de chauffage permet d'augmenter l'énergie thermique du plasma, dans la mesure où les pertes Ptransp transportées par les particules qui s'échappent du plasma (conduction thermique) sont inférieures à Pchauf. Le bilan de puissance au sein du plasma est alors :
où Wp est l'énergie thermique contenue dans le plasma, et dWp / dt est la puissance à laquelle l'énergie thermique du plasma augmente. Lorsque le réacteur a atteint les conditions de régime stationnaire, on a alors Pchauf = Ptransp. Dans ce cas, la puissance de chauffage Pchauf permet de compenser les pertes et de maintenir l'équilibre thermique du plasma.
Dans le cas où les neutrons transportent la majeure partie de l'énergie, comme avec le combustible DT, cette énergie neutronique est normalement capturée par une « couverture » de lithium, que l'on appelle couverture tritigène, produisant du tritium qui est utilisé pour alimenter le réacteur. En raison de diverses réactions exothermiques et endothermiques, la couverture tritigène peut produire également une petite quantité d'énergie, et avoir un facteur de gain de puissance MR, qui est généralement de l'ordre de 1,1 à 1,3. Le résultat net correspond à la quantité totale d'énergie libérée dans l'environnement et qui est ainsi disponible pour la production d'électricité. C'est la puissance nette PR du réacteur.