Cet article a été rédigé par Matthew Hole, de l’Université nationale australienne, et Igor Bray, de l’Université Curtin, et a été initialement publié par The Conversation. Il fait partie de leur série mondiale sur l’avenir du nucléaire, dont vous pouvez lire le reste ici.
La fusion nucléaire est ce qui alimente le soleil et les étoiles – elle libère d’énormes quantités d’énergie en liant ensemble des éléments légers comme l’hydrogène et l’hélium. Si l’énergie de fusion était exploitée directement sur Terre, elle pourrait produire une énergie propre inépuisable, en utilisant l’eau de mer comme principal combustible, sans émissions de gaz à effet de serre, sans risque de prolifération et sans risque d’accidents catastrophiques. Les déchets radioactifs sont de très faible niveau et indirects, provenant de l’activation neutronique du cœur de la centrale. Avec la technologie actuelle, une centrale à fusion pourrait être entièrement recyclée dans les 100 ans suivant son arrêt.
Les centrales nucléaires actuelles exploitent la fission nucléaire, c’est-à-dire la division des noyaux atomiques d’éléments lourds comme l’uranium, le thorium et le plutonium en noyaux “filles” plus légers. Ce processus, qui se produit spontanément dans les éléments instables, peut être exploité pour produire de l’électricité, mais il génère également des déchets radioactifs à longue durée de vie.
Pourquoi n’utilisons-nous pas encore une énergie de fusion nucléaire sûre et propre ? Malgré les progrès significatifs de la recherche sur la fusion, pourquoi les physiciens traitent-ils avec scepticisme les affirmations non fondées de “percées” ? La réponse la plus simple est qu’il est très difficile d’obtenir les conditions nécessaires à la réaction. Mais si les expériences en cours de réalisation sont concluantes, nous pouvons être optimistes et penser que l’énergie de fusion nucléaire sera une réalité d’ici une génération.
Le processus de fusion
Contrairement à la fission, les noyaux ne subissent pas spontanément la fusion : les noyaux atomiques sont chargés positivement et doivent surmonter leur énorme répulsion électrostatique avant de pouvoir se rapprocher suffisamment pour que la force nucléaire forte, qui lie les noyaux entre eux, puisse intervenir.
Dans la nature, l’immense force gravitationnelle des étoiles est suffisamment forte pour que la température, la densité et le volume du cœur de l’étoile soient suffisants pour que les noyaux atomiques fusionnent par “tunnellisation quantique” de cette barrière électrostatique. En laboratoire, les taux d’effet tunnel quantique sont beaucoup trop faibles, et la barrière ne peut donc être surmontée qu’en rendant les noyaux combustibles incroyablement chauds – six à sept fois plus chauds que le cœur du Soleil.
Même la réaction de fusion la plus facile à initier – la combinaison des isotopes d’hydrogène deutérium et tritium, pour former de l’hélium et un neutron énergétique – nécessite une température d’environ 120 millions de degrés Celsius. À ces températures extrêmes, les atomes du combustible se brisent en leurs électrons et noyaux constitutifs, formant un plasma surchauffé.
Maintenir ce plasma au même endroit suffisamment longtemps pour que les noyaux fusionnent n’est pas une mince affaire. En laboratoire, le plasma est confiné à l’aide de champs magnétiques puissants, générés par des bobines de supraconducteurs électriques qui créent une “bouteille magnétique” en forme de beignet dans laquelle le plasma est piégé.
Schéma d’une centrale à fusion. Figure fournie avec l’aimable autorisation des publications du JET-EFDA, copyright Euratom, auteur fourni
Les expériences actuelles sur les plasmas, telles que le Joint European Torus, peuvent confiner les plasmas aux températures requises pour un gain d’énergie net, mais la densité du plasma et le temps de confinement de l’énergie (une mesure du temps de refroidissement du plasma) sont trop faibles pour que le plasma s’auto-échauffe. Les expériences d’aujourd’hui ont des performances de fusion 1 000 fois supérieures, en termes de température, de densité du plasma et de temps de confinement, à celles des expériences d’il y a 40 ans. Et nous avons déjà une bonne idée de la manière de passer à l’étape suivante.
Changement de régime
Le réacteur ITER, actuellement en construction à Cadarache, dans le sud de la France, explorera le “régime du plasma brûlant”, où le chauffage du plasma par les produits confinés de la réaction de fusion dépasse la puissance de chauffage externe. Le gain de puissance total d’ITER sera plus de cinq fois supérieur à la puissance de chauffage externe en fonctionnement quasi-continu, et approchera 10 à 30 fois pour de courtes durées.
D’un coût supérieur à 20 milliards de dollars US et financé par un consortium de sept nations et alliances, ITER est le plus grand projet scientifique de la planète. Son objectif est de démontrer la faisabilité scientifique et technologique de l’utilisation de l’énergie de fusion à des fins pacifiques, comme la production d’électricité.
Le défi technique et physique est immense. ITER aura un champ magnétique de 5 Tesla (100 000 fois le champ magnétique terrestre) et un rayon de 6 mètres, confinant 840 mètres cubes de plasma (un tiers d’une piscine olympique). Il pèsera 23 000 tonnes et contiendra 100 000 km de brins supraconducteurs en niobium-étain. L’étain de niobium est supraconducteur à 4,5K (environ moins 269 degrés Celsius). L’ensemble de la machine sera donc immergé dans un réfrigérateur refroidi à l’hélium liquide afin de maintenir les brins supraconducteurs à quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu.
Coupe transversale d’ITER. Pour l’échelle, notez l’humain sous le cœur du réacteur. L’organisation ITER, fourni par l’auteur
ITER devrait commencer à générer ses premiers plasmas en 2020. Mais les expériences sur les plasmas brûlants ne devraient pas commencer avant 2027. L’un des grands défis consistera à déterminer s’il est possible de créer et de maintenir ces plasmas auto-entretenus sans endommager la paroi du plasma ou la cible “divertor” à flux thermique élevé.
Les informations que nous obtiendrons de la construction et de l’exploitation d’ITER serviront à la conception des futures centrales à fusion, l’objectif ultime étant de faire fonctionner cette technologie pour la production commerciale d’électricité. Pour l’instant, il semble probable que les premiers prototypes de centrales seront construits dans les années 2030 et qu’ils produiront environ 1 gigawatt d’électricité.
Les centrales de première génération auront probablement une taille similaire à celle d’ITER, mais on espère que les améliorations apportées au confinement et au contrôle magnétiques permettront de construire des centrales plus compactes par la suite. De même, les centrales électriques coûteront moins cher qu’ITER : les modèles à long terme qui extrapolent aux centrales électriques suggèrent que la fusion pourrait être économique et avoir un faible impact sur l’environnement.
Ainsi, si les défis à relever en matière de fusion nucléaire sont importants, les retombées seront considérables. Il ne nous reste plus qu’à la faire fonctionner.
Cet article fait partie de la série mondiale de The Conversation sur l’avenir du nucléaire. Vous pouvez lire le reste de la série ici.
Matthew Hole est chercheur principal au Plasma Research Laboratory de l’Australian National University.Igor Brayest directeur du département de physique, d’astronomie et de radiologie médicale de l’ université Curtin.
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l’article original.