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29 décembre 2022

Fusion nucléaire la quête de l’énergie parfaite

 Les récentes avancées industrielles relancent l'espoir de parvenir à maîtriser le processus de la fusion.


Elle fait briller les étoiles depuis des milliards d’années, et les yeux des physiciens depuis des décennies. Proche cousine de la fission (voir article précédent) s’appuyant également sur des interactions entre noyaux atomiques pour dégager de grandes quantités d’énergie, la fusion nucléaire présente des avantages si grands qu’elle est sans conteste le graal de la production énergétique.

Cependant, depuis les premiers travaux qui ont débuté dans les années 1950 pour tenter de la maîtriser sur Terre, aucun réacteur fonctionnel n’a encore pu être développé. À tel point que les recherches dans ce domaine font régulièrement l’objet d’une douce raillerie : « La fusion, c’est toujours pour dans trente ans ». Cependant, l’espoir d’y parvenir est toujours aussi vivace pour de nombreux spécialistes du domaine, qui est en ce moment en pleine mutation avec, notamment, la libéralisation de l’activité.

Comme pour la fission, le processus physique régissant la fusion nucléaire est relativement simple. Il consiste en l’interpénétration de deux noyaux atomiques très légers, généralement du deutérium et du tritium, deux isotopes de l’hydrogène composés d’un unique proton et respectivement de deux et de trois neutrons. En s’assemblant, ceux-ci engendrent un atome un peu plus gros – ici, de l’hélium – accompagné d’une particule comme un neutron. Or, la masse des produits est plus faible que les deux atomes légers additionnés. Selon la formule E = mc², rendue célèbre par Einstein, cette perte de masse se manifeste par une transformation en énergie cinétique, puis en énergie thermique, qui peut enfin être récupérée dans une centrale pour la production d’électricité. Voilà pour la théorie.

En revanche, la mise en pratique est une autre paire de manches. Car pour coller ces deux noyaux d’atomes entre eux, il faut d’abord surmonter la puissante force de répulsion électrostatique qui d’ordinaire les éloigne, puisqu’ils sont tous deux chargés positivement. Dans le cœur des étoiles, la pression et la température sont telles que les atomes, réduits à l’état de plasma très énergétique, fusionnent d’eux-mêmes, permettant ainsi le rayonnement de la chaleur et de la lumière de l’astre en continu Sur Terre, les physiciens n’ont donc pas d’autre choix que de placer le « combustible » dans des conditions extrêmes pour permettre à la fusion de s’enclencher, et de s’auto-alimenter ensuite. Et c’est là que le bât blesse.

« Pour mettre en marche la fusion, il faut faire grimper la température du plasma à près de 150 millions de degrés Celsius, soit dix fois plus qu’au cœur du Soleil », assène Greg De Temmerman, directeur général du think tank Zenon Research et chercheur associé aux Mines Paris. Outre la température, deux autres critères sont nécessaires pour déclencher les réactions de fusion et les entretenir : la densité du plasma doit être assez importante, tout comme la durée de confinement, qui correspond au temps que met l’énergie à s’évader du milieu dans lequel il est. Or, la mise en place de toutes ces opérations requiert une quantité d’énergie faramineuse.

Il faut faire grimper la température du plasma à près de 150 millions de degrés Celsius, soit dix fois plus qu ‘au cœur du Soleil

Tout l’enjeu des recherches concernant la fusion nucléaire consiste donc à prouver qu’il est possible de récupérer plus d’énergie qu’il n’en a fallu pour mettre en route les réactions – c’est-à-dire obtenir un facteur d’amplification supérieur à 1. En 1997, le Joint European Torus (JET) installé à Abingdon, au Royaume-Uni, a établi un record qui tient toujours en obtenant une pointe de puissance de 16 MW pour 23 MW injectés. Un gain de 0,7 ! Le 9 février 2022, les chercheurs travaillant sur ce réacteur ont annoncé un nouveau record mondial, qui concerne cette fois l’énergie totale produite par une réaction de fusion : 59 mégajoules (MJ) en maintenant la fusion pendant 5 secondes – avec néanmoins un gain de 0,3 seulement. Ces exploits interviennent cependant près d’un siècle après les premiers travaux théoriques qui concernent la fusion nucléaire. Et le chemin pour dépasser ce seuil critique de 1 pour le facteur d’amplification semble encore être semé de beaucoup d’embûches.

FUSION : AUCUN RISQUE D’EMBALLEMENT

Alors pourquoi les chercheurs s’entêtent-ils ? « Pour commencer, la fusion libère quatre fois plus d’énergie que la fission par unité de volume, assure Greg De Temmerman. Elle génère également des déchets, mais aucun ne possède une haute activité et une période radioactive longue comme pour la fission. »

De plus, le deutérium servant de combustible est présent à l’état naturel en grande quantité dans la nature, tandis que le tritium peut être généré assez facilement par la fission du lithium, un autre élément très abondant. « Comme la fusion n’implique pas de réaction en chaîne, il n’existe aucun risque d’emballement du réacteur comme à Tchernobyl : si un problème survient, les réactions s’arrêtent d’elles-mêmes », renchérit Alain Bécoulet, directeur de recherche au CEA et directeur de l’Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique. Enfin, comme c’est le cas pour la fission, l’impact de la production d’énergie par fusion nucléaire sur le climat est nul. Aucun gaz à effet de serre n’est généré lors des réactions, ce qui est un atout majeur dans le contexte actuel de crise climatique.

Voilà qui explique l’engouement pour la maîtrise de cette technologie, à travers l’essor de nombreux projets dans le monde. À commencer par le réacteur Iter, basé à Saint-Paul-lez-Durance, en France (voir reportage suivant). Le but de ce réacteur de recherche est de démontrer expérimentalement que la fusion pourrait bel et bien être utilisée comme source d’énergie à grande échelle, en obtenant un facteur d’amplification supérieur à 10. « Une des grandes difficultés de la fusion est qu’il faut impérativement tenir le plasma éloigné de tout élément solide, et notamment de la paroi du réacteur, qui fondrait instantanément, explique Alain Bécoulet. Iter sera donc doté d’un dispositif de confinement magnétique, appelé tokamak, qui utilise des aimants extrêmement puissants en vue d’isoler les quelques grammes de plasma au sein d’une chambre à vide. »

Les attentes des chercheurs concernant ce projet de grande envergure sont colossales.

Néanmoins, Iter est loin d’être la seule piste envisagée pour tenter de maîtriser la fusion. Par exemple, à Hefei, en Chine, l’Experimental Advanced Superconducting Tokamak (East) a récemment fait ses preuves en maintenant en chambre à vide une température de 120 millions de degrés Celsius pendant 101 secondes, le 9 mai 2021. Bien que cette expérience ne soit pas suffisante pour enclencher les réactions de fusion, elle démontre cependant les progrès phénoménaux réalisés par les laboratoires de physique, qui avancent étape par étape.

Outre les tokamaks, d’autres méthodes pour confiner le plasma sont actuellement à l’étude. En particulier le confinement inertiel, dont le principe est d’apporter à une toute petite capsule de deutérium et de tritium une quantité d’énergie phénoménale à l’aide de faisceaux laser surpuissants. La capsule est alors très fortement comprimée – sa taille est divisée par 10 – ce qui amène sa densité et sa température à augmenter, à tel point que les réactions de fusion s’enclenchent. En mai 2021, les équipes du National Ignition Facility de Livermore, aux États-Unis, ont annoncé avoir atteint une étape clé dans le développement de cette technologie, en décrochant à leur tour le facteur d’amplification de 0,7 obtenu par confinement magnétique en 1997. « C’est une véritable prouesse, reconnaît André Grosman, directeur adjoint de l’Institut de recherche pour la Fusion par confinement magnétique. Cependant, l’expérience n’a duré que 100 trillionièmes de seconde, et il est difficile aujourd’hui d’imaginer un moyen de faire fonctionner cette réaction en continu pour qu’elle s’auto-alimente. »

La fusion n’implique pas de réaction en chaîne. Il n ‘existe donc aucun risque d’emballement du réacteur comme à Tchernobyl

Sur quoi travaillent les start-up ?

D’après une enquête réalisée par la Fusion Industry Association en octobre dernier, plus d’une trentaine d’entreprises privées de fusion existent à travers le monde. Certaines ont annoncé d’impressionnantes levées de fonds : 1,8 milliard de dollars en septembre dernier pour Commonwealth Fusion Systems (CFS), qui travaille en lien avec le mythique MIT, aux États-Unis. Celles-ci s’attellent généralement à emprunter des voies qui n’ont pas été testées dans le cadre des gros projets publics. Par exemple, alors qu’Iter utilise des supraconducteurs classiques, qu’il faut refroidir à une température proche du zéro absolu pour réaliser le confinement magnétique, CFS explore le développement récent des supraconducteurs de haute température pour obtenir le même résultat, et construire un réacteur avec un gain avoisinant 2. L’entreprise canadienne General Fusion compte quant à elle reproduire les conditions de pression et de température requises pour la fusion à l’aide de quelque 200 pistons provoquant une onde de choc sur le matériau en s’activant simultanément (photo ci-contre).

Enfin, certaines start-up comme First Light Fusion, au Royaume-Uni, misent plutôt sur le confinement inertiel. Cette dernière tente de remplacer le système de lasers, très vorace en énergie, par un pistolet électromagnétique créant une puissante onde de choc sur le matériau de fusion. Bref, les idées fusent !

DE NOUVEAUX ACTEURS

On le voit, les recherches concernant la fusion font l’objet d’avancées technologiques remarquables, mais à un rythme très lent, induit par l’immense complexité de la tâche. Cependant, la filière est depuis quelques années bousculée par l’arrivée de nouveaux acteurs inattendus. Des start-up, généralement soutenues financièrement par de riches mécènes, se lancent à leur tour dans cette quête laborieuse. Même si l’ampleur de leurs projets est sans commune mesure avec celle d’un mastodonte comme Iter, ces entreprises apportent à ce secteur une brise d’air frais très salutaire. « On en voit fleurir un très large spectre, précise André Grosman.

Certaines se penchent sur la manière d’améliorer des aspects très précis du confinement magnétique, tandis que d’autres défrichent des pans de la recherche complètement mis de côté par les institutions publiques. » Cette synergie naissante entre les sphères privées et publiques est, à n’en pas douter, une preuve supplémentaire que la fusion a le vent en poupe. Et si, cette fois, c’était la bonne ? Va-t-on enfin pouvoir inclure la fusion nucléaire dans le mix énergétique de demain ?

PUBLIÉ LE 22 OCT 2022 PAR SIMON DEVOS

Science & Vie

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