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Fusion nucléaire : entre longue histoire et progrès récents

Publié en ligne le 17 août 2022 - Énergie -

La fusion nucléaire est souvent présentée comme l’énergie du futur [1, 2]. La maîtrise de la fusion offre en effet la promesse d’une énergie abondante, pilotable et décarbonée, mais présente aussi un énorme défi technologique. À l’heure actuelle, la totalité de l’énergie nucléaire mondiale (dont les 56 réacteurs français) repose sur le processus de fission nucléaire : un noyau d’uranium est scindé en particules plus petites, libérant ainsi de l’énergie. Mais il existe une autre façon de produire de l’énergie nucléaire : la fusion. Il s’agit d’un processus par lequel deux noyaux s’assemblent pour former un atome plus lourd ; elle se produit notamment au cœur des étoiles [3]. Les recherches visant à maîtriser la fusion comme source d’énergie débutèrent dans les années 1950 [4], mais la perspective de son utilisation industrielle reste éloignée, même si le domaine connaît ces dernières années un fort regain d’intérêt.

Après le Déluge : le Quarante et Unième Jour, George Frederic Watts (1817-1904)

Plusieurs réactions de fusion sont possibles. La moins difficile à mettre en œuvre et la plus étudiée est celle qui se produit entre deux isotopes de l’hydrogène (qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans le noyau) : le deutérium et le tritium. La réaction conduit à la formation d’un neutron très énergétique et d’un noyau d’hélium. Pour que les deux atomes puissent fusionner, il faut qu’ils soient dans un milieu extrêmement chaud, de l’ordre de 150 millions de degrés.



Source : Brief.science.

Ce texte est reproduit pour les lecteurs de Science et pseudo-sciences dans le cadre d’un partenariat de l’Afis avec ce média en ligne (créé en 2021).

Le plasma


C’est le quatrième état de la matière au côté des états solide, liquide et gazeux. On le trouve dans les étoiles et le milieu interstellaire et il constitue la majorité de notre univers (autour de 99 %). Sur Terre, on ne le rencontre pas à l’état naturel, si ce n’est dans les éclairs ou les aurores boréales, mais on le produit artificiellement en appliquant des champs électriques suffisamment puissants pour séparer le noyau de ses électrons dans les gaz. Dans notre vie quotidienne, les plasmas ont de nombreuses applications (micro-électronique, écrans plats de nos téléviseurs...), dont la plus courante est le tube fluorescent qui éclairait nos salles de bain.

Source : CEA, « Qu’est-ce qu’un plasma », 2016.

Pourquoi s’intéresser à la fusion nucléaire ?

Les avantages potentiels de la fusion nucléaire sont nombreux : de très faibles émissions de dioxyde de carbone (CO2) sur l’ensemble du cycle de vie, une absence de production de déchets radioactifs à haute activité et « vie longue » 1 (des déchets de moyenne activité à vie longue et des déchets à « vie courte » sont tout de même générés), ou encore un procédé intrinsèquement sûr car la réaction s’arrête quasi instantanément en cas de perturbation (perte d’alimentation en particules ou en puissance, instabilités) [5]. De plus, le combustible est très dense énergétiquement (un gramme d’hydrogène peut fournir autant d’énergie que onze tonnes de charbon) et assez abondant pour subvenir à nos besoins pour des milliers d’années (le deutérium est abondant dans l’eau de mer alors que le tritium devra être produit).

Produire de l’énergie via la fusion nucléaire implique d’atteindre la température requise pour la formation d’un plasma et d’avoir suffisamment de réactions se produisant dans un volume donné. Cela implique que le produit de trois paramètres, la densité du plasma (nombre de particules dans un volume donné), sa température et le temps de confinement soit supérieur à une certaine valeur (appelée critère de Lawson). Deux grandes techniques sont étudiées pour satisfaire ce critère :

  • La fusion par confinement magnétique utilise des aimants puissants pour confiner le plasma pendant des durées longues (plusieurs minutes), mais avec une densité très faible. C’est la voie suivie par le projet Iter (projet de réacteur nucléaire de recherche civil à fusion nucléaire, fruit d’une collaboration internationale [6]), dans lequel la masse de combustible sera d’environ un gramme pour un volume de 800 m3 – la densité du plasma est 100 000 fois plus faible que celle de l’air.
  • La fusion par confinement inertiel utilise des lasers très puissants dont la brève impulsion (de l’ordre du milliardième de seconde) permet de comprimer le combustible à des densités pouvant atteindre cent fois celle du plomb.

Historiquement, la seconde fut étudiée et développée après la première car la technologie nécessaire (les lasers de forte puissance) n’était pas disponible. Par ailleurs, la fusion inertielle a des applications militaires, notamment pour la compréhension des processus et la simulation du fonctionnement des armes nucléaires, comme le laser Mégajoule développé en France [7].

Comme il est nécessaire de chauffer le combustible à des températures très élevées, de l’énergie doit être investie pour cela, et la réaction de fusion doit libérer plus d’énergie que celle nécessaire pour l’initier. Pour évaluer la performance du dispositif, on considère généralement le rapport (appelé gain) de la puissance apportée par la fusion divisée par la puissance injectée. Traditionnellement, ce rapport est estimé au niveau du plasma et non pas au niveau de l’ensemble de la machine, ainsi Iter n’est pas conçu pour produire plus d’énergie que l’ensemble de l’énergie fournie au site.

Le Peseur d’or(détail), Salomon Koninck (1609-1656)

Or jusqu’à présent, un gain supérieur à 1 (c’est-à-dire une production d’énergie supérieure à celle injectée dans le plasma) n’a jamais été atteint. En 1997, le tokamak JET à Oxford au Royaume-Uni, le plus grand tokamak au monde jusque récemment (c’est désormais le tokamak JT60-SA au Japon qui détient ce titre), a atteint un gain de 0,67. Dernièrement, en août 2021, le National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis a atteint un gain similaire de 0,70 via la fusion inertielle [8], même si les résultats n’ont pour l’instant pas été publiés dans une revue scientifique. Atteindre un gain supérieur à 1 serait une avancée significative pour la fusion, et c’est l’objectif de plusieurs projets. Cependant, un réacteur industriel destiné à produire de l’électricité devra avoir un gain largement supérieur (de l’ordre de 50) pour être économiquement rentable.

Le projet Iter : aboutissement de décennies de recherche

Le confinement magnétique est la voie privilégiée pour la production d’électricité, car il bénéficie d’un retour d’expérience important. La grande majorité des recherches se concentre sur le tokamak (voir encadré). C’est la configuration choisie par le projet international Iter [9], avec la construction d’un tokamak sur le centre CEA de Cadarache (Saint-Paul-lez-Durance) dont l’objectif est d’obtenir un gain de l’ordre de 10 (50 MW pour chauffer le plasma et produire 500 MG d’électricité). C’est un projet titanesque (le tokamak mesure 29 m de haut et 29 m de diamètre) et d’un coût de près de 25 milliards d’euros. Il a connu des débuts difficiles, mais sa construction avance. Le premier plasma n’est pas attendu avant au moins 2026, avec une démonstration de la fusion prévue vers la fin des années 2030. Les 35 pays participant à Iter 2 ont tous un programme de recherche qui accompagne le projet. En effet, beaucoup d’expériences et de simulations sont nécessaires pour préparer les opérations d’Iter. C’est dans ce cadre, par exemple, que le tokamak East en Chine a démontré le confinement d’un plasma à 70 millions de degrés pendant une durée de plus de 1 000 s [10].

Iter ne produira pas d’électricité, mais doit démontrer la capacité à contrôler un plasma à pleine puissance pendant 400 à 600 s, ainsi que l’intégration de toutes les technologies nécessaires et la production du tritium utilisé dans la réaction de fusion (voir encadré ci-dessous).

Produire du tritium


Iter obtiendra des réactions de fusion à partir de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium. Si l’on peut extraire pratiquement le deutérium de l’eau de mer en grandes quantités, le tritium, lui, n’existe qu’à l’état de traces dans l’environnement terrestre. Durant son fonctionnement, Iter puisera dans le stock de tritium (estimé à 20 kg) produit par les réacteurs nucléaires de type Candu, et qui demeurait jusqu’ici inemployé.

Le tritium toutefois peut être généré dans l’enceinte même du tokamak en tirant parti de l’interaction entre les neutrons issus de la réaction de fusion et le lithium présent dans les éléments de couverture [qui tapissent les surfaces internes de la chambre où se produisent les réactions de fusion]. La capacité de générer du tritium par le biais de la réaction de fusion est essentielle pour les futures centrales de fusion industrielles.

Source : le site du projet Iter.

Il doit également démontrer sa capacité à contrôler un plasma avec un gain réduit (environ 5) pendant une durée de 3 000 s. L’Union européenne prévoit après Iter un démonstrateur tokamak pour les années 2050 [11], ce qui conduirait à un déploiement industriel de la fusion, au mieux, dans la deuxième partie du siècle. Plus ambitieux, le Royaume-Uni a récemment lancé un projet (Step pour Spherical Tokamak for Electricity Production) qui vise à développer un réacteur connecté au réseau électrique dans les années 2040. De son côté, la Chine poursuit un ambitieux programme visant à démontrer dans les années 2040 sa capacité à produire de l’électricité et du tritium [12]. Le développement de ces projets est pour l’instant très peu avancé, et il faut donc rester prudent sur les dates annoncées.

Le tokamak : une machine pour la fusion par confinement magnétique


Le terme de tokamak est un acronyme russe signifiant « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ». Ce sont en effet des chercheurs russes qui ont, les premiers (en 1968), mis au point un dispositif capable d’atteindre des températures dites thermonucléaires, proches de celles nécessaires pour la fusion. Le plasma y est confiné sous la forme d’un tore par l’action d’un champ magnétique toroïdal (le long du tore) créé par de puissants aimants, et d’un champ poloïdal (perpendiculaire au champ toroïdal) induit en faisant circuler un fort courant électrique dans le plasma. Le confinement permet de limiter l’interaction entre le plasma chaud et les parois du tokamak – qui ne pourraient pas résister à la chaleur du plasma. Les parois sont néanmoins soumises à un flux de neutrons très énergétiques, ce qui produit des contraintes très fortes sur les matériaux.

L’émergence des entreprises privées

Ce qui relevait initialement d’initiatives d’États et d’investissements de recherche à long terme sur fonds publics attire maintenant des financements privés et voit la création d’entreprises dédiées.

Ainsi, au-delà d’Iter, un ensemble d’initiatives privées s’est développé et a connu une forte croissance ces dernières années. En 2021, on recense plus de 25 entreprises privées lancées dans la course à la fusion, soit quatre fois plus qu’en 2008. Ces entreprises ont en commun de vouloir fortement accélérer le développement de la fusion nucléaire, projetant des résultats d’ici une dizaine d’années et espérant pouvoir faire jouer à cette technologie un rôle dans la transition énergétique [13]. S’appuyant sur des équipes très qualifiées, ces initiatives ont des approches plus audacieuses que la recherche publique. Certaines de ces entreprises ont plus de vingt ans d’existence, telles TAE fondée en 1998 ou General Fusion fondée en 2002. La France est partie prenante de ce mouvement avec une start-up, Renaissance Fusion, fondée en 2019. Ces entreprises sont pour la plupart financées par des fonds d’investissement, et parfois soutenues par des grands noms tels que Jeff Bezos, le patron d’Amazon (General Fusion) et Bill Gates, le fondateur de Microsoft (Commonwealth Fusion System ou CFS). Deux d’entre elles, Helion Energy et CFS, se sont récemment illustrées en annonçant des levées de fonds de 500 millions et 1,8 milliards de dollars, respectivement – à comparer avec le budget national pour la recherche publique sur la fusion aux États-Unis, qui était de 670 millions de dollars en 2020 [14]. Le total des investissements cumulés dépasse dorénavant les 4 milliards de dollars.

Les calendriers annoncés sont également très ambitieux : Helion prévoit la production de quelques mégawatts électriques dès 2024, CFS vise à démontrer un gain supérieur à 2 en 2025 et General Fusion vise la commercialisation d’un réacteur dès 2030. Des dates qui contrastent avec celles espérées pour les initiatives publiques, et dont l’optimisme est certainement lié au besoin d’attirer des capitaux.

Si, aux États-Unis, certaines de ces entreprises bénéficient de (modestes) financements publics leur permettant de collaborer avec les laboratoires nationaux, toutes développent leurs propres expériences et fabriquent leurs propres composants.

Quelques arguments peuvent expliquer la tendance à la multiplication des initiatives privées.

Des technologies nouvelles sont apparues ou sont en cours de développement, et pourraient accélérer le développement de la fusion nucléaire et avoir des applications dans d’autres domaines. Ainsi en est-il de l’utilisation de matériaux supraconducteurs à haute température qui n’étaient pas maîtrisées lorsqu’Iter a été lancé (les concepts de CFS et de Tokamak Energy, entre autres, sont basés sur cette technologie).

Par ailleurs, le prototype du projet Iter, dont l’idée remonte à 1985, est en phase d’assemblage et s’approche de son démarrage (prévu en 2025), ce qui renforce la confiance des investisseurs dans la fusion.

Enfin, les taux d’intérêt des emprunts bas poussent également certains investisseurs vers des paris plus risqués, mais potentiellement très lucratifs. On observe aussi une forte hausse des investissements dans le domaine des technologies pour le climat.

Conclusion

Si l’urgence climatique pousse beaucoup de ces entreprises à mettre en avant un rôle possible pour la fusion dans la transition énergétique si elle arrive suffisamment tôt, il convient de relativiser ces promesses au vu des temps de déploiement des technologies dans le domaine de l’énergie. Ainsi, en supposant un premier réacteur en 2030 (ce qui serait déjà un exploit) et un taux de croissance de la puissance installée d’environ 30 % par an (similaire à ce qui est observé pour d’autres technologies de l’énergie [15]), la fusion ne représenterait que 1 % du mix énergétique mondial en 2060 [8].

Ces initiatives privées contribuent cependant à faire émerger une filière et à former du personnel qualifié à la fusion nucléaire. Elles ont aussi le mérite de secouer la recherche classique en prenant des paris technologiques plus audacieux. Et si les plannings annoncés sont très certainement trop optimistes au vu des difficultés à surmonter, il sera possible de rapidement évaluer leur réalisme et de juger si, enfin, la fusion nucléaire pour produire de l’électricité à des conditions économiques rentables est à portée de main. Ces initiatives ont le mérite d’avoir fortement augmenté l’intérêt pour la fusion et permettent d’envisager de tester différents concepts en parallèle, conduisant peut-être à des progrès significatifs vers la maîtrise de la fusion.

Références


1 | Petit-Felici L, « Fusion nucléaire : l’énergie du futur ? », Le Point Sciences, 1er septembre 2021.
2 | « Fusion nucléaire : fiche pédagogique », Connaissance des énergies, 28 février 2022.
3 | « L’énergie qui émane du soleil est 100 % nucléaire : la preuve par les neutrinos », The Conversation, 11 mars 2021.
4 | Meade D, “50 years of fusion research”, Nuclear Fusion, 2010
5 | Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, « Quelles centrales demain ? », Exposition radioactivité ASN-IRSN, septembre 2017.
6 | Site Iter.
7 | Commissariat à l’énergie atomique, « Laser Mégajoule », présentation par la Direction des applications militaires, 2020.
8 | « Fusion nucléaire pour l’énergie : où nous mènent les annonces récentes ? », The Conversation, 19 août 2021.
9 | « Une énergie inépuisable », site Iter, janvier 2022.
10 | « Fusion nucléaire : décryptage des dernières avancées en Chine et des conséquences pour Iter », Revue Générale Nucléaire, 21 janvier 2022. Sur sfen.org
11 | Federici G et al., “DEMO design activity in Europe : progress and updates”, Fusion Engineering and Design, 2018, 136 :729-41.
12 | Wan Y et al., “Overview of the present progress and activities on the CFETR”, Nuclear Fusion, 2017, 57 :102009.
13 | Ball P, “The chase for fusion energy”, Nature, 17 novembre 2021.
14 | “Commonwealth fusion pulls in a colossal $1.8B for novel nuclear tech”, Canary Media, 2 décembre 2021.
15 | Kramer GJ, Haigh M, “No quick switch to low-carbon energy”, Nature, 2009, 462 :568-9.

1 Un déchet radioactif de haute activité est dit à « vie longue » si la durée nécessaire pour perdre la moitié de sa radioactivité est supérieure à 31 ans.

2 Les 27 États membres de l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Chine, la Russie, la Corée du Sud et les États-Unis, ainsi que la Suisse et le Royaume-Uni en tant qu’États associés à la Communauté européenne de l’énergie atomique.

Publié dans le n° 340 de la revue


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L' auteur

Greg De Temmerman

Docteur en physique expérimentale et chercheur. Il a été coordinateur scientifique sur le projet Iter de 2014 à 2020. (...)

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