Fusion nucléaire : à quel point devrions-nous être ravis ?
Les récents résultats de l’installation de Joint European Torus (JET) au Royaume-Uni ont suscité beaucoup d’enthousiasme, suggérant que le rêve de l’énergie de fusion nucléaire se rapproche progressivement de la réalité. Nous savons que la fusion fonctionne – c’est le processus qui alimente le Soleil, offrant chaleur et lumière à la Terre. Pendant des années, il a été difficile de passer des expériences scientifiques en laboratoire à une production d’électricité soutenue.
L’objectif central de la fusion est de produire des noyaux atomiques pour un noyau différent et plus lourd, en distribuant l’énergie dans le processus. Ceci est différent de la fission nucléaire, dans lequel un noyau lourd tel que l’uranium est divisé en noyaux plus petits tout en libérant de l’énergie.
Le processus de fusion d’atomes légers, d’isotopes d’hydrogène ou d’hélium, a posé des problèmes importants. Comme ils sont facturés électriquement, se repoussant les uns les autres, ils résistent à la fusion au moins que les noyaux ne se déplacent assez rapidement pour se rapprocher physiquement les uns des autres, exigeant des conditions extrêmes. Le Soleil accompli cela en son cœur grâce à ses énormes champs gravitationnels et à son volume important.
Une approche utilisée dans les laboratoires sur Terre est le « confinement inertiel », dans lequel une petite pastille de combustible de fusion d’environ un dixième de centimètre de diamètre est chauffée et comprimée de l’extérieur grâce à l’énergie laser. Dans les dernières années, des développements encouragés ont été réalisés sur cette technique, peut-être plus particulièrement par le National Ignition Facility aux États-Unis, où un retour de fusion de 1,3 million de Joules (une mesure de l’énergie) a été signalé l’année dernière. Bien que cela ait produit dix quadrillions de watts de puissance, cela n’a duré qu’une fraction (90 milliardièmes) de seconde.
Une technique différente, le « confinement magnétique », a été déployée plus largement dans les laboratoires du monde entier et est considérée comme l’une des voies les plus prometteuses pour matérialiser les centrales à fusion à l’avenir. Il s’agit d’utiliser du combustible de fusion maintenu sous la forme d’un plasma chaud – un nuage de particules chargées – confiné par de puissants champs magnétiques. Lors de la création des conditions pour que les réactions de fusion se produisent, le système de confinement nécessite de maintenir le combustible à une température et une densité adéquates et pendant suffisamment de temps.
C’est là que réside une partie spécifique du défi. La petite quantité de combustible de fusion (généralement quelques grammes seulement) nécessite d’être chauffée à des températures énormes, de l’ordre de 10 fois plus chaudes que le centre du Soleil (150 millions de °C). De plus, cela doit se produire tout en préservant le confinement dans une cage magnétique pour maintenir une sortie d’énergie.
De nombreuses machines peuvent être utilisées pour tenter de conserver ce confinement magnétique du plasma. Cependant, le plus réussi à ce jour est la conception dite « tokamak », qui utilise un tore (en forme de beignet) et des champs magnétiques complexes pour confiner le plasma, comme utilisé à l’installation JET.
Petit pas ou grand saut ?
Les résultats récents marquent un véritable tremplin dans la mission de l’énergie de fusion. Au total, les 59 millions de joules d’énergie générés sur une période de 5 secondes ont fourni une puissance de fusion moyenne d’environ 11 millions de watts. Bien que cela ne suffise qu’à chauffer a représenté 60 bouilloires, c’est néanmoins impressionnant – produit une production d’énergie 2,5 fois supérieure au dernier record établi en 1997 (également à l’installation JET, atteignant 22 millions de Joules) .
Le succès de JET est le summum des années de planification et d’une équipe très expérimentée de scientifiques et d’ingénieurs engagés. JET est actuellement le plus grand tokamak au monde et le seul appareil pouvant utiliser autant du deutérium que du tritium (les deux isotopes de l’hydrogène).
La conception de la machine, utilisant des aimants en cuivre qui chauffent rapidement, signifie qu’elle ne peut fonctionner qu’avec des salves de plasma d’une durée de quelques secondes. Des aimants supraconducteurs seront nécessaires pour passer à des opérations à haute puissance soutenues beaucoup plus longues. Heureusement, c’est le cas de l’installation ITER, à présent en construction dans le sud de la France dans le cadre d’un effort international impliquant 35 pays, qui est maintenant achevée à 80 %. Pour cette raison, les résultats récents ont offert une confiance énorme dans la conception technique et les performances physiques de la conception de la machine ITER, en plus d’un dispositif de confinement magnétique, conçu pour produire 500 millions de watts de puissance de fusion.
D’autres difficultés importantes subsistent. Celles-ci cohérentes à développer des matériaux suffisamment durables capables de résister à la pression intense à l’intérieur de la machine, de gérer la puissance cruciale d’échappement et, plus particulièrement, de produire une énergie économiquement compétitive avec diverses autres formes de fabrication d’énergie.
Atteindre des sorties de puissance remarquables et les maintenir pendant plus d’une courte période de temps a été le défi majeur de la fusion durant des décennies. Sans que cela soit finalement résolu, une éventuelle centrale à fusion ne peut pas fonctionner. Les résultats du JET représentent une étape importante, même s’ils ne marquent qu’une étape sur le chemin.
Le grand saut viendra avec la mise à l’échelle des réalisations actuelles en matière de fusion dans des systèmes de fusion successifs, tels qu’ITER, dans des centrales électriques de démonstration au-delà. De plus, cela doit être possible dans un avenir proche, en prévoyant une exploitation dans les années 2050 ou peut-être un peu plus tôt.
Avantages cruciaux
Il y a beaucoup en jeu. La fusion génère encore plus d’énergie par gramme de carburant que toute autre procédure qui pourrait être atteinte sur Terre. Certains des principaux avantages de la fusion sont que les produits du processus sont l’hélium et les neutrons (particules qui composent le noyau atomique, ainsi que les protons). Aucun CO2 ou autre gaz à effet de serre n’est pas libéré. Les combustibles bruts sont le deutérium, qui peut se trouver dans l’eau de mer et le lithium, qui est également abondant dans les grands salars. L’énergie de fusion potentielle libérée par le contenu au lithium dans une batterie d’ordinateur portable et une baignoire d’eau est estimée à environ 40 tonnes métriques de charbon.
La fusion génère une certaine radioactivité dans les matériaux constituant le réacteur. On ne s’attend pas à ce que cela soit aussi long ou extrême que les déchets radioactifs produits par la fission nucléaire, ce qui en fait peut-être un choix beaucoup plus sûr et beaucoup plus acceptable que l’énergie nucléaire traditionnelle.
Finalement, Rome ne s’est pas construite en un jour. Divers autres éléments de l’ingéniosité humaine, tels que l’aviation, ont historiquement mis beaucoup de temps à se concrétiser. Cela signifie que les étapes qui permettent de progresser sont extrêmement importantes et doivent être commémorées de manière appropriée.
La fusion progresse inexorablement et nous nous rapprochons de plus en plus de ce rêve autrefois lointain de puissance de fusion commerciale. Un jour, il fournira un approvisionnement quasi infini d’énergie à faible émission de carbone pour de nombreuses générations futures. Même si ce n’est pas encore là, ça vient.
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