Dans un monde qui s’efforce de se débarrasser de sa dépendance aux combustibles fossiles et de nourrir son appétit croissant pour l’énergie, il existe une technologie en cours de développement qui semble presque trop belle pour être vraie : la fusion nucléaire.
Si elle fonctionne, l’énergie de fusion offre de vastes quantités d’énergie propre avec une source de combustible quasi illimitée et des émissions de carbone pratiquement nulles. Enfin, si elle fonctionne. Mais des équipes de chercheurs du monde entier et des milliards de dollars sont dépensés pour s’en assurer.
En février de l’année dernière, un nouveau chapitre de la recherche sur l’énergie de fusion s’est ouvert avec l’inauguration officielle de Wendelstein 7-X. Il s’agit d’une installation expérimentale d’un milliard d’euros (AUD).
Il s’agit d’un réacteur de fusion expérimental d’un milliard d’euros (1,4 milliard de dollars australiens ou 1,06 milliard de dollars américains) construit à Greifswald, en Allemagne, pour tester un modèle de réacteur appelé ” stellarator”.
Il est prévu que d’ici 2021 environ, il pourra fonctionner pendant une durée de 30 minutes, ce qui constituerait un record pour un réacteur à fusion. Il s’agit d’une étape importante sur la voie de la démonstration d’une caractéristique essentielle d’une future centrale à fusion : le fonctionnement continu.
Mais le W-7X n’est pas le seul projet de fusion en ville. Dans le sud de la France, on construit actuellement ITER, un réacteur de fusion expérimental de 20 milliards de dollars (26,7 milliards de dollars australiens) qui utilise un concept différent appelé tokamak.
Cependant, même si le W-7X et ITER sont de conception différente, les deux projets se complètent et les innovations apportées à l’un d’entre eux sont susceptibles de se traduire par la construction d’une centrale de fusion nucléaire opérationnelle.
Tours et détours
L’énergie de fusion cherche à reproduire la réaction qui alimente notre Soleil, où deux atomes très légers, comme l’hydrogène ou l’hélium, sont fusionnés.
L’atome fusionné résultant est légèrement plus léger que les deux atomes d’origine, et la différence de masse est convertie en énergie selon la formule d’Einstein E = mc².
La difficulté consiste à inciter les deux atomes à fusionner, ce qui nécessite de les chauffer à des millions de degrés Celsius.
Il n’est pas facile de contenir un combustible aussi surchauffé. Il est donc transformé en un gaz ionisé chaud – un plasma – qui peut être contenu dans un champ magnétique afin qu’il ne touche pas l’intérieur du réacteur.
Ce qui rend le W-7X particulièrement intéressant, c’est la conception de son stellarator. Il se compose d’une chambre à vide intégrée dans une bouteille magnétique créée par un système de 70 bobines d’aimants supraconducteurs, qui produisent un puissant champ magnétique pour confiner le plasma chaud.
Les stellarators et les tokamaks sont deux types de dispositifs de confinement magnétique toroïdaux (en forme de beignet) qui sont étudiés pour l’énergie de fusion.
Dans ces expériences, un puissant champ magnétique toroïdal (ou annulaire) crée une bouteille magnétique pour confiner le plasma.
Cependant, pour que le plasma soit bien confiné dans la chambre en forme de beignet, le champ magnétique doit avoir une torsion. Dans un tokamak, comme dans le réacteur ITER, un courant important circule dans le plasma pour générer la torsion requise.
Toutefois, ce courant important peut provoquer des instabilités de type “kink”, ce qui peut entraîner une perturbation du plasma.
Si le plasma est perturbé, le réacteur doit être inondé de gaz pour éteindre le plasma et l’empêcher d’endommager l’expérience.
Dans un stellarator, la torsion du champ magnétique est obtenue en tordant l’ensemble de la machine elle-même. Cela supprime le grand courant toroïdal et rend le plasma intrinsèquement plus stable.
Le coût en est la complexité technique des bobines de champ et la réduction du confinement, ce qui signifie que le plasma est moins facilement contenu dans la bulle magnétique.
Un rapprochement
Si le W7-X et ITER utilisent des approches différentes, la plupart des technologies sous-jacentes sont identiques.
Ce sont tous deux des machines supraconductrices toroïdales, et tous deux utilisent des systèmes de chauffage externes tels que l’injection de radiofréquences et de faisceaux neutres pour chauffer le plasma, et une grande partie de la technologie de diagnostic du plasma est commune.
Dans une centrale électrique, les isotopes lourds de l’hydrogène (deutérium et tritium) fusionnent pour former de l’hélium avec un neutron énergétique.
Alors que l’hélium est contenu dans le plasma, le neutron a une charge électrique neutre et se propage dans la “couverture” qui entoure le plasma. Celui-ci se réchauffe, ce qui entraîne une turbine à vapeur qui produit de l’électricité.
L’une des caractéristiques communes à l’énergie de fusion est la nécessité de développer des matériaux capables de résister à la chaleur élevée et aux neutrons rapides générés par la réaction de fusion.
Quelle que soit sa conception, la première paroi d’un réacteur de fusion doit résister à un bombardement massif de particules à haute énergie pendant toute sa durée de vie.
À ce stade, il est trop tôt pour dire si la conception du tokamak utilisé par ITER ou du stellarator utilisé par W-7X sera mieux adaptée à une centrale de fusion commerciale.
Mais le début de l’exploitation de W-7X à des fins de recherche permettra non seulement de décider quelle technologie est la plus appropriée, mais aussi d’acquérir des connaissances précieuses pour toutes les futures expériences de fusion, et peut-être un jour une véritable révolution énergétique.