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Nouveau record : le mini-Iter coréen Kstar nous rapproche de la fusion contrôlée

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Le réacteur coréen Kstar, bien plus petit que son grand frère, le géant Iter, vient de battre un nouveau record : les chercheurs ont réussi à maintenir un plasma à 100 millions de degrés durant 48…

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L'urgence et la complexité du changement climatique, objets de récurrents débats sociétaux, ont mis en évidence la nécessité de maîtriser la demande énergétique. Dans ce contexte, il n'est guère étonnant que la promesse d'une source d'énergie alternative comme la fusion nucléaire éveille l'intérêt. Les recherches sur les centrales à fusion ne sont pas nouvelles. Elles ont démarré il y a plus de... soixante ans.

Par André Grosman, directeur adjoint de l'Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique du CEA.

Le nombre limité de forces gouvernant les interactions physiques (gravitationnelle, électrostatique, nucléaire forte et nucléaire faible) explique pourquoi les sources énergétiques fondamentales sont très peu nombreuses. La mise à disposition d'énergie provient essentiellement de réactions chimiques et nucléaires, soit par combustion de matière fossile, soit par fusion et fission nucléaires. La première réaction nucléaire utilisée pour produire de l'énergie est la fission des noyaux d'atomes lourds. Elle a été obtenue assez rapidement après sa découverte compte tenu de la relative simplicité des principes mis en œuvre. La fusion est, quant à elle, nettement plus complexe à maîtriser.

1. La réaction de fusion nucléaire

La fusion nucléaire produit de l'énergie par l'interaction de noyaux d'atomes légers, en premier lieu de ceux d'hydrogène. Elle ne peut avoir lieu que dans un plasma chaud, un état de la matière à très haute température (plus de 100 millions de degrés Celsius) où les électrons et les noyaux sont découplés ( fig. 1). La rencontre des noyaux légers est contrecarrée par la charge électrique positive identique portée par les noyaux, dont découle une force de répulsion électrostatique. D'où la nécessité de conférer une énergie suffisante aux particules pour passer outre cet obstacle. La fusion est la source principale d'énergie dans les étoiles. Le phénomène peut s'initier naturellement, à condition que la masse d'hydrogène soit énorme. Grâce à la force gravitationnelle, la densité et la pression dans une étoile demeurent à des niveaux compatibles avec la réalisation et le maintien des réactions nucléaires. Sur Terre, on développe des approches visant à confiner autrement le plasma afin de maintenir les conditions de fusion. On ne peut compter pour cela que sur des champs magnétiques, avec une sévère limitation puisque des champs de quelques teslas - un maximum technologique - ne pourront contenir que des plasmas à une pression de deux à trois fois la pression atmosphérique (contre environ 200 milliards de fois au cœur du soleil !). Compte tenu de la haute température nécessaire des particules, seules des densités très faibles, de l'ordre du millionième de celle de l'air, peuvent être envisagées.

Pour atténuer la difficulté de maîtriser de telles conditions, il a été convenu d'adopter la réaction de fusion la plus aisée à atteindre par rapport à celle de l'hydrogène dans les étoiles. La fusion " sur Terre " utilise deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium, où le proton est accompagné d'un neutron, et le tritium, où le proton est accompagné de deux neutrons. La réaction est très énergétique : la collision du deutérium et du tritium produit un noyau d'hélium de 3,7 mégaélectronvolts (MeV)et un neutron de 14 MeV. Ce niveau d'énergie est environ dix millions de fois plus élevé que celui provenant d'une réaction chimique et dix fois plus que la fission nucléaire. Il s'agit donc d'une énergie très concentrée, donc consommatrice de faibles quantités de matière. Le deutérium est présent et bien réparti sur Terre, puisqu'il est présent dans l'eau. Le tritium radioactif, en revanche, n'existe qu'à l'état de traces et doit être produit artificiellement par une collision d'un neutron sur du lithium, qui est également présent en faible concentration dans l'eau. Un autre avantage de la fusion est l'absence de risque de réaction incontrôlée car, comme nous le verrons plus loin, toute altération importante du confinement du plasma se traduira par l'extinction de celui-ci et donc des réactions nucléaires. Enfin, par un choix adéquat des alliages constituant les composants internes de la centrale à fusion, on évitera la production de déchets radioactifs à haute activité et à vie longue.

Ce qu'il faut retenir

La fusion de noyaux de deutérium et de tritium recherchée pour générer de l'énergie ne peut se réaliser que dans un plasma à très haute température. La production et le confinement de ce plasma font l'objet de propositions alternatives aux technologies développées pour Iter. Mais la réalisation d'un réacteur à fusion nécessite l'intégration de nombreuses briques technos. Une approche " système " propre à Iter qui nécessitera encore de lever des verrous, notamment pour l'extraction de la chaleur.

2. Le confinement du plasma

De nombreuses configurations magnétiques ont été envisagées et testées depuis le début des recherches, à la fin des années 1950. Dix ans plus tard, le tokamak soviétique T3 a montré une capacité de confinement très largement supérieure, rapidement confirmée par de nombreuses expériences en Occident. Le tokamak se caractérise par une configuration torique (autrement dit ayant la forme d'un pneu) du plasma, entourée de bobines créant le champ magnétique de confinement ( fig. 2). Ce dernier n'a un effet que dans les plans perpendiculaires aux lignes de champ, mais la géométrie du tore permet d'assurer aussi le confinement des particules le long des lignes de champ en les refermant sur elles-mêmes. La circulation d'un courant électrique dans le plasma, induit par un effet transformateur à partir de bobines extérieures (solénoïde central) permet, par effet Joule, de chauffer le plasma ( fig. 3). Ce courant assure aussi la mise en œuvre d'un champ magnétique additionnel, indispensable au bon confinement, en rendant le champ total hélicoïdal.

Le chauffage par le courant est essentiel pour créer le plasma et accroître sa température, mais il s'estompe quand le plasma chauffe pour atteindre de la température nécessaire à la fusion, d'où l'adjonction de moyens de chauffage additionnels, comme des micro-ondes ou des ondes radiofréquences ( fig. 4). On utilise à cette fin la capacité du plasma magnétisé à être un bon vecteur des ondes électromagnétiques ainsi que des mécanismes de résonance. Quand la fréquence de l'onde est égale à la fréquence de rotation des particules dans le champ magnétique, cela induit un transfert d'énergie aux ions ou aux électrons du plasma. L'autre moyen de chauffage utilisé est l'injection de neutres. Il s'agit d'ions extraits d'une source de plasma qui sont ensuite accélérés par des champs électriques. Les ions étant défléchis dans le champ magnétique, ils doivent d'abord être neutralisés - c'est-à-dire avoir récupéré un électron -, avant d'être lancés vers le plasma en ligne droite, de manière à en atteindre le centre. Ces neutres cèdent leur énergie aux particules du plasma par collisions successives.

Par ailleurs, lors de la réaction de fusion dans un tokamak, une partie du plasma est située en dehors de la dernière surface magnétique fermée (DSMF), c'est-à-dire la dernière surface composée de lignes de flux toroïdales et poloïdales qui confinent le plasma. Au-delà de cette surface, les lignes de flux sont discontinues et interagissent avec des éléments de la paroi - cette couche de plasma est appelée scrape-off layer. Ces interactions affectent la réaction de fusion, car les impuretés issues de la paroi ont un effet de refroidissement. Pour le réduire, des mécanismes de contrôle de l'interaction du plasma et de la paroi sont mis en place. Le divertor est celui utilisé dans le tokamak d'Iter ( fig. 5). Il s'agit, par un ajout de bobinages, d'induire une modification légère sur le champ magnétique. Les lignes de champ sont défléchies vers une partie du tokamak un peu en retrait, où les interactions entre plasma et paroi peuvent se dérouler avec de nombreux effets d'atténuation. Ainsi, les atomes arrachés à la paroi pénètrent moins facilement dans le plasma. Ce dernier peut également être étalé sur une plus grande surface afin de réduire sa charge thermique sur les composants. Pour résumer, le divertor permet d'éloigner le plasma central, où a lieu la fusion, de la paroi du tokamak qui affecte les réactions.

Le tokamak est une configuration suffisamment mature pour que de la production d'énergie de fusion deutérium-tritium (DT) ait été essayée et réussie à des niveaux excédant 10 mégawatts (MW). Un record déjà atteint à plusieurs reprises par le tokamak européen JET (pour Joint european torus). C'est sur une base de connaissances très dense qu'a été lancé le projet international Iter, qui a pour objectif la production d'une puissance de fusion de 500 MW. Avec le développement de l'ensemble des briques technologiques et la maîtrise des aspects systèmes, ce projet devrait jeter les bases des centrales de fusion électrogènes. Il existe aussi de nombreuses voies alternatives qui, après avoir été envisagées lors des premières recherches sur la fusion, sont reconsidérées depuis quelques années. Dopée par des capitaux privés et l'enthousiasme de start-uppers, une volonté d'accélérer le développement de l'énergie de fusion s'est fait jour. Le spectre des propositions est varié : famille des tokamaks très trapus (dit tokamaks sphériques), tokamaks compacts réclamant des champs de confinement plus élevés, mise en œuvre de la configuration stellarator, un " cousin " du tokamak qui réalise l'ensemble de la configuration magnétique hélicoïdale avec des bobines extérieures et se dispense d'un courant dans le plasma. Certains projets sont plus atypiques, avec des configurations magnétiques le plus souvent obtenues transitoirement, de manière à obtenir des taux de compression du plasma très élevés.

Enfin la fusion par confinement inertiel, développée jusqu'ici essentiellement pour des usages militaires, est aussi envisagée pour une application civile. L'appétence pour cette option provient des résultats du laser National ignition facility (NIF), au sein du Laboratoire national Lawrence-Livermore, aux États-Unis. La fusion par confinement inertiel consiste à simuler le plasma à très petite échelle. Pour cela, deux méthodes sont possibles, l'une directe, l'autre indirecte. Dans le premier cas, une microbille contenant une très petite quantité de deutérium et de tritium est illuminée par près de 200 faisceaux lasers. Ces derniers augmentent la température et la densité du plasma jusqu'à l'implosion de la bille. Pour que cette technique fonctionne, il est nécessaire que l'énergie apportée par les lasers soit extrêmement homogène à la surface de la bille, ce qui représente un défi technique important. Dans le cas de la méthode indirecte, on entoure la microbille d'une cavité en or qui, sous le bombardement des lasers, crée un bain de rayons X dans la cavité, assurant une meilleure répartition de l'énergie autour de la bille ( fig. 6). L'inconvénient de cette approche est que l'énergie des lasers subit une déperdition en se convertissant en rayons X.

Il a fallu plus de dix ans aux équipes de physiciens et d'ingénieurs américains pour parvenir à un éclairage le plus homogène possible d'une microbille. Le meilleur résultat obtenu par le confinement inertiel est une production d'énergie plus importante que celle des faisceaux lasers pendant une durée de l'ordre de dix nanosecondes. Produire suffisamment d'énergie pour pouvoir l'utiliser nécessiterait de rendre le procédé très fiable et de le répéter une dizaine de fois par seconde. Pour l'instant, cela n'a pas fait l'objet d'études ni d'un programme de développement technologique. Depuis peu, la mise au point de lasers à impulsion ultracourte (donc ultra-puissante), de l'ordre de la femtoseconde, est envisagée par des chercheurs pour obtenir des accélérations très importantes des particules grâce aux très importants champs électriques créés par l'interaction des lasers avec la matière. Certaines équipes veulent en tirer profit pour exploiter la fusion proton-bore, qui a pour avantage de ne pas produire de neutrons.

3. Les défis technologiques des centrales à fusion

Il n'est pas toujours facile d'y voir clair dans les annonces concernant la fusion, largement relayées dans les médias. Et ce d'autant plus que ces informations font allusion à des aspects très divers du développement de la fusion : procédés, innovations, résultats scientifiques... La production d'un plasma permettant de réaliser les réactions de fusion est l'objet de toutes les attentions. Mais il ne faut pas oublier qu'elle résulte de la mise en œuvre d'un certain nombre de briques technologiques qu'il faut, de plus, intégrer de manière à réaliser un système capable de répondre à toutes les spécifications et contraintes d'un système énergétique. Il est à noter que seules les recherches en fusion par confinement magnétique ont fait l'objet de développements significatifs pour l'ensemble des sous-systèmes d'une centrale à fusion. L'arrivée de la fusion à des niveaux de TRL intermédiaires à hauts marquera un succès pour Iter. Son plasma pourrait être le premier à être principalement chauffé par les particules d'hélium de haute énergie, autrement dit dans des conditions similaires à celles attendues dans une centrale à fusion. Iter devra démontrer, outre l'atteinte de telles performances, que le contrôle du plasma est bien maîtrisé, sans instabilités susceptibles d'endommager les composants de la machine. La conviction d'atteindre ses objectifs repose sur une large base de connaissances scientifiques issues de nombreuses années de développements expérimentaux et de simulation numérique, notamment chez tous ses partenaires mondiaux (Europe, Chine, Corée du Sud, États-Unis, Inde, Japon, Russie).

Pour jauger de l'état d'avancement de la recherche sur les centrales à fusion, il faut s'intéresser à la maturité des principales technologies mises en jeu. En ce qui concerne le confinement magnétique, on a montré la possibilité d'une production industrielle d'aimants supraconducteurs de grande taille pour des champs adéquats (6 teslas environ). Des aimants de forme complexe nécessaires en configuration stellarator ont également vu le jour. Si l'utilisation de matériaux supraconducteurs traditionnels réclame un refroidissement poussé, proche du zéro absolu, celle de supraconducteurs à haute température permettra, outre des températures moins difficiles à atteindre, un accroissement du champ magnétique induit. Cela ouvre la voie à des systèmes de confinement magnétique plus petits, donc moins chers. Mais cela entraîne une augmentation des efforts mécaniques sur les bobines. La compacité du dispositif de fusion s'accompagne d'une concentration très importante de la puissance, la rendant plus difficile à extraire dans des caloporteurs pour pouvoir ensuite produire de l'électricité.

Le chauffage du plasma a lui aussi fait l'objet de nombreux développements. La situation est contrastée entre le chauffage par ondes dans les fréquences radio, dont les technologies sont utilisées depuis un siècle pour la transmission de signaux (télévision, téléphone...), et dans le domaine des micro-ondes à très hautes fréquences, qui ont fait l'objet de travaux récents pour obtenir des sources de puissance continue de l'ordre du mégawatt. Reste, pour Iter, à vérifier la fiabilité au long cours (en années) de ces technologies matures. Le chauffage par injection de particules de haute énergie fait l'objet d'un programme de R & D. L'objectif est de montrer la capacité à maîtriser sur des temps longs la production des particules, et surtout leur accélération, ce qui implique de relever le défi de systèmes électro-techniques à 1 mégavolt.

L'extraction de l'énergie du plasma est parfois considérée comme un verrou car la limitation du volume de plasma et corrélativement la grande énergie volumique de ce dernier ont pour conséquence des flux d'énergie extrêmement importants vers la paroi. Des avancées significatives dans l'ingénierie des composants face au plasma, mais aussi dans la maîtrise et le contrôle du plasma périphérique en interaction avec la paroi, ont permis de créer des systèmes d'extraction de chaleur au niveau industriel. C'est notamment le cas pour West, le tokamak du CEA, doté de composants face au plasma de même technologie que celle qui sera installée dans le projet Iter, et capable de supporter 10 mégawatts par mètre carré, soit à peine moins que le flux thermique à la surface du soleil.

La maturité des développements est moins grande pour le cycle du combustible (le tritium). En particulier pour son extraction des couvertures tritigènes, lorsqu'il sera produit à partir du lithium sous le bombardement des neutrons émis par la fusion. Ces couvertures sont des systèmes très délicats à concevoir car elles doivent entourer la quasi-totalité du plasma, permettant la récupération de la chaleur transmise par le neutron et du tritium pour son injection ultérieure dans le plasma. Aucun dispositif expérimental de fusion n'ayant jusqu'à présent généré de grandes quantités de neutrons, nulle réalisation pratique n'a été lancée. Des modules tests seront expérimentés dans Iter.

L'ultime challenge pour la création d'une centrale à fusion sera de concevoir des matériaux susceptibles de résister aux neutrons de très forte énergie issus de la fusion. Ces derniers sont porteurs de davantage d'énergie que ceux rencontrés dans les centrales nucléaires actuelles, et même que les neutrons dits " rapides " à l'œuvre dans les réacteurs de quatrième génération. Les neutrons de forte énergie peuvent endommager la structure cristalline des métaux et également créer en leur sein des atomes d'hydrogène et d'hélium susceptibles, par gonflement, de fragiliser encore plus cette structure. Les matériaux employés ne devraient pas non plus produire de composés radioactifs à durée de vie longue sous le bombardement de neutrons, ce qui devrait rendre ce mode de production d'énergie socialement plus facile à accepter. Ce défi devra être résolu pour la génération de dispositifs post-Iter. D'ores et déjà, certains de ces matériaux sont développés en laboratoire, dans certains cas à une échelle préindustrielle, et des équipements de test sont prévus pour la prochaine décennie.

Si l'on voulait résumer l'évolution des recherches sur la fusion au cours des soixante dernières années, on pourrait la diviser en deux phases : de 1960 à 1990, une période principalement consacrée à dompter le plasma jusqu'aux conditions de réalisation des réactions de fusion ; et depuis 1990, une période dédiée au développement de technologies nécessaires à une production fiable et économique, et à leur intégration au sein d'un dispositif commercial. Les récentes alternatives, sources de solutions d'optimisation et d'innovations de rupture, sont intéressantes. On saura d'ici à une dizaine d'années quelles promesses auront pu être tenues et à quel niveau. Les développements technologiques, les questions d'industrialisation, d'intégration et d'opération, y compris sur les aspects de sécurité et de sûreté, nécessiteront d'importantes ressources et beaucoup de temps. Les perspectives de la fusion sont clairement établies. Quant à l'horizon de la mise en service des premières centrales, il dépendra de la volonté et des moyens engagés. La perspective de centrales de fusion électrogène pourrait se dégager dans la seconde moitié de ce siècle.

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Fusion nucléaire : Iter face aux nouvelles approches

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Source d'énergie parée de toutes les vertus, la fusion connaît un regain d'intérêt avec de multiples propositions innovantes, tandis...-Cahiers techniques

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La fusion nucléaire qui reproduirait les réactions qui animent naturellement le Soleil ou les étoiles serait le graal pour produire de l'énergie décarbonée et presque inépuisable sur terre. Depuis 1920, quand l'astrophysicien Arthur Eddington avait suggéré que l'énergie des étoiles était due à la fusion de noyaux d'hydrogène en hélium, les projets scientifiques se sont multipliés.

Les États-Unis ont peut-être obtenu une avancée significative. Selon le quotidien britannique Financial Times, des scientifiques du Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL), situé en Californie, ont récemment obtenu un " gain net d'énergie " d'un réacteur à fusion expérimental. Il s'agirait de la première fois que des chercheurs réussiraient à produire plus d'énergie dans une réaction de fusion qu'ils n'en ont consommée au cours du processus. Selon le FT, la réaction de fusion a produit un gain net d'énergie de 120 % au cours des deux dernières semaines. Une première expérience avait déjà été réalisée l'an passé.

" Si cette percée est réelle, cela pourrait changer la donne pour la planète "

Invités à commenter l'article du FT, les porte-parole du département de l'Énergie et du LLNL ont indiqué que la secrétaire d'État américaine à l'Eneie, Jennifer Granholm, organisera mardi un événement au cours duquel elle " annoncera une percée scientifique majeure ". " Nous avons hâte de partager plus d'informations lorsque ce processus sera terminé ", a-t-elle ajouté.

" Si cette percée est réelle, cela pourrait changer la donne pour la planète ", a tweeté Ted Lieu, membre du Congrès de Californie, après la publication du rapport du FT.

Scientifiquement, la fusion diffère de la fission, la technique utilisée dans les centrales nucléaires actuellement qui consiste à casser les liaisons de noyaux atomiques lourds pour en récupérer l'énergie. Alors que la fusion est le processus inverse : on " marie " deux noyaux atomiques légers pour en créer un lourd mais cela ne peut se faire qu'à des températures élevées. C'est pourquoi, l'installation du LLNL se compose de près de 200 lasers de la taille de trois terrains de football qui ciblent un point minuscule avec de hauts niveaux d'énergie pour initier une réaction de fusion. Autant dire que beaucoup de chemin reste à parcourir.

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Les États-Unis vont annoncer "une avancée scientifique majeure" dans la fusion nucléaire

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Il s'agirait de la première fois que des chercheurs réussissent à produire plus d'énergie dans une réaction de fusion qu'ils n'en ont consommée au cours du processus.

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Sur une colline boisée au bord de la Durance, dans un paysage de Provence aux teintes vert et ocre qui rappelle les toiles de Cézanne, grandit un géant de béton et d'acier. Réparties sur 40 hectares, une dizaine de grues rouge et blanc surplombent l'immense chantier des 39 bâtiments d'Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Ce programme auquel collaborent sept membres (Union européenne, Etats-Unis, Russie, Japon, Corée, Inde, Chine) et 800 employés, consiste en l'une des plus grandes et prometteuses expériences scientifiques de tous les temps.

Un budget de 20 milliards d'euros

C'est une vieille histoire, un beau roman qui a débuté en 1985 lors d'une rencontre entre Mikhaïl Gorbatchev et Ronald Reagan. Vingt et un ans plus tard, un accord, signé à l'Elysée, donnait naissance à Iter, qui veut " démontrer la faisabilité de la fusion nucléaire comme mode de production massive d'énergie ", selon son directeur, le Français Bernard Bigot. De son bureau, il contemple chaque jour l'avancée des travaux.

Depuis son arrivée, en 2015, le projet, qui avait connu de nombreux retards, avance comme prévu. Le devis, de 20 milliards d'euros contre 5 milliards budgétés à l'origine, est à la hauteur de l'enjeu. " Si nous réussissons, c'est une rupture majeure dans l'histoire de l'humanité, ose-t-il. Nous aurions trouvé un mode de production d'énergie pour des centaines de millions d'années, avec les ressources naturelles terrestres, sans impact sur le climat, ni l'environnement, et dans des conditions sûres. "

Les atomes exploités peu radioactifs

La méthode, qui imite l'activité physique des étoiles, revient à faire fusionner les noyaux d'atomes dérivés de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. Ces derniers, sont emprisonnés dans un champ magnétique et chauffés à 150 millions de degrés. La réaction dégagera des neutrons, qui heurteront les parois du large anneau où l'opération a lieu, le Tokamak (pour " chambre toroïdale à bobines magnétiques ", en russe). La chaleur issue de cette collision pourra être utilisée dans de futures installations pour produire de la vapeur d'eau, qui fera tourner des turbines et générera de l'électricité.

En théorie, le procédé présente de grands avantages comparé à la fission, utilisée dans les centrales actuelles et durant laquelle un noyau d'uranium ou de plutonium se scinde en deux. D'abord, " le deutérium, présent dans l'eau de mer, n'est pas radioactif. Le tritium, lui, ne l'est que douze ans ", indique Alain Bécoulet, physicien auteur de " L'Energie de fusion " (Odile Jacob). Ensuite, " l'hélium dégagé, inoffensif, peut être rejeté dans l'atmosphère ", ajoute l'expert. Il n'y a pas d'émission de CO2.

Au coeur du réacteur, le Tokamak, anneau dans lequel les atomes fusionneront, sera installé dans cette enceinte. (Iter Organization/EJF Riche, Iter)

Principaux déchets, les parois du réacteur, heurtées par les neutrons, deviendront faiblement radioactives. Mais elles pourront être recyclées dans les cent ans suivant leur retrait de l'installation. Rien à voir avec les centaines de milliers d'années nécessaires pour les déchets issus de la fission. Enfin, il n'y a pas de réaction en chaîne. " Elle s'arrête si quelque chose fonctionne mal ", souligne l'Américain Tim Luce, directeur des sciences et des opérations d'Iter. Nul risque qu'un réacteur qui fuit continue à tourner, comme à Fukushima.

Un colosse de béton haut de 30 mètres abrite la fosse circulaire, profonde de 18 mètres, où sera installé le Tokamak. Fixé sur des plots antisismiques qui lui permettent d'osciller si la terre tremble, ce bâtiment résonne au son des bétonneuses et des perceuses. En son coeur, un mur de trois mètres d'épaisseur protège l'enceinte où seront assemblés le million d'éléments nécessaires à l'expérience, des bobines chargées de créer le champ magnétique au dispositif de chauffage.

Pour les générations à venir

En 2025, quand tout sera prêt, le premier essai de l'installation utilisera des atomes d'hydrogène fusionnant à 150 millions de degrés. Si l'étape est validée, l'expérience sera renouvelée avec des atomes de deutérium et de tritium en 2035. Objectif : produire 10 fois plus d'énergie qu'il en est consommé (500 MW - mégawatts - pour 50 MW). Le record actuel, nettement inférieur, est détenu par le Tokamak JET, au RoyaumeUni, qui n'avait généré, en 1997, que 16 MW. Bien moins que les 24 MW qu'il avait consommés ! L'exploit visé par Iter ne sera atteint que si aucune erreur n'est commise, car la moindre impureté paralysera la réaction.

Un million d'éléments seront assemblés pour bâtir le réacteur, suivant ce plan. (Iter Organization/EJF Riche, Iter)

Le savoir d'Iter pourra alors être utilisé par les pays membres pour construire des centrales de fusion nucléaire, après 2050. Bernard Bigot ne sera plus là pour le voir, dit-il sans amertume : " C'est comme les cathédrales. Celui qui posait la première pierre savait qu'il ne verrait pas les flèches du clocher. Mais quand vous vous lancez dans un tel projet, vous le faites pour les générations à venir. "

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La fusion nucléaire, une promesse énergisante

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LE PARISIEN WEEK-END. Pour remplacer les hydrocarbures, les chercheurs du programme Iter parient sur la fusion, une alternative à la fission qui permettrait de produire massivement de l'énergie, en toute sécurité et avec un minimum de déchets.

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En un an, l'humanité consomme une énergie totale de 15 TWan (térawatt.an). D'ici 2050, cette valeur aura presque doublé par rapport à aujourd'hui, alors que le manque d'énergies fossiles va se faire cruellement sentir. L'une des solutions à ce problème fait l'objet d'études depuis plus de 50 ans : c'est la fusion contrôlée. Elle consiste à maîtriser des réactions thermonucléaires similaires à celles qui font briller le Soleil.

Les dirigeants de plus de la moitié de la population mondiale l'ont parfaitement compris. C'est pourquoi la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l'Inde, le Japon, la Russie et l'Union européenne se sont réunis au sein du programme Iter, l'acronyme d'International Thermonuclear Experimental Reactor International Thermonuclear Experimental Reactor . Mais, en latin, Iter signifie aussi " le chemin ". Quel est ce chemin ? C'est celui de l'obtention de la fusion contrôlée, en utilisant un tokamak pour confiner le plasma obtenu à partir d'un mélange de deutérium et de tritium porté à 110 millions de degrés.

Les tokamaks, ou le Soleil dans une boîte magnétique

Rappelons que le plasma est souvent désigné comme le quatrième état de la matière. Il se forme notamment lorsqu'un gaz est tellement chaud que ses atomes perdent un, voire tous leurs électrons. Il s'agit donc d'un mélange d'ions et d'électrons libres, mais qui n'est plus un gaz, comme celui à l'origine des aurores boréales. En fait, on peut même dire que la majorité de la matière normale dans l'Univers se trouve à l'état de plasma, que ce soit dans les étoiles ou dans le milieu interstellaire, dans lequel vogue actuellement Voyager 1.

Pour produire de l'énergie de fusion avec du plasma dans les laboratoires terrestres, il faut que sa température soit très élevée, bien plus que celle de la surface du Soleil ou du centre de la Terre, dont les températures sont de l'ordre de 6 000 K. Inutile de dire que l'on ne peut pas stocker un tel plasma comme de l'air comprimé dans une bouteille, car aucun matériau ne pourrait résister à des températures dépassant largement le million de degrés. Dès les années 1950, les physiciens ont commencé à réfléchir à ce problème avec une idée : celle du confinement des particules chargées du plasma par des champs magnétiques, ce qui permettait de limiter les interactions entre le plasma et la paroi de l'enceinte. Cela a conduit les grands physiciens russes Igor Tamm et Andreï Sakharov à proposer le concept de tokamak, qui est l'acronyme en russe de toroïdalnaïa kamera s magnitnymi katushkami (en français, chambre toroïdale avec bobines magnétiques).

Le premier résultat important a été obtenu en 1968, encore par des chercheurs russes, qui démontrèrent qu'il était possible de maîtriser certaines instabilités dans le plasma qui barraient jusqu'alors le chemin vers la fusion contrôlée par confinement magnétique. Des années 1960 à 1985, la physique et la technologie des plasmas dans un tokamak ont progressé de sorte que l'on a obtenu des confinements magnétiques stables. Maîtriser la stabilité du plasma jusqu'à un certain point est une chose, mais restait le problème de maintenir le confinement suffisamment longtemps et dans des conditions telles que l'on puisse obtenir plus d'énergie à partir de cette réaction de fusion que l'on en dépense pour les initier. Ce fut l'objectif principal des recherches menées depuis dans le monde.

Des supraconducteurs presque au zéro absolu pour la fusion

L'un des problèmes associés à la question du rendement des réactions est que l'on perd beaucoup d'énergie par effet Joule avec les courants utilisés pour faire fonctionner les aimants produisant les champs magnétiques des tokamaks. Les pionniers russes l'avaient déjà compris, et avaient proposé une solution : l'utilisation d'aimants supraconducteurs. Cela n'est guère étonnant, étant donné l'importance des travaux sur la supraconductivité et la superfluidité de l'école russe autour de Lev Landau et Vitaly Ginzburg.

C'est dans le but de tester cette technologie que le CEA a entrepris dès la fin des années 1970 le projet ayant conduit à la réalisation de Tore Supra à Cadarache. Jusqu'à son arrêt récent pour le transformer en banc d'essai pour Iter, c'était le seul parmi les grands tokamaks européens à disposer de bobines supraconductrices permettant de générer un champ magnétique important et sur une longue durée. Il était également le seul tokamak à pouvoir extraire en continu la puissance injectée dans le plasma grâce au refroidissement par une boucle d'eau pressurisée des composants qui sont face au plasma.

D'autres tokamaks - notamment celui du fameux Jet (acronyme de l'anglais Joint European Torus, littéralement tore commun européen), le plus grand tokamak existant - ont permis de valider des lois permettant d'envisager ce qui doit se passer lorsque l'on augmente la taille d'un tokamak. On a compris que pour atteindre un rendement suffisant pour résoudre le problème du remplacement des énergies fossiles, il fallait une machine d'une taille suffisamment élevée. Jet a aussi permis de réaliser et d'étudier la réaction de fusion entre le deutérium et le tritium, la plus prometteuse pour un réacteur thermonucléaire. Surtout, avec Jet, les chercheurs se sont approchés de ce que l'on appelle le " breakeven ", c'est-à-dire le point où l'on commence à produire plus d'énergie dans un réacteur que l'on en utilise pour produire la fusion des noyaux.

Iter, une étape pour la production d'électricité thermonucléaire

Le résultat de toutes ces recherches a finalement été le projet Iter, qui se donne pour but de réaliser un réacteur thermonucléaire d'une taille équivalente au double de celle de l'Arc de Triomphe. Il utilisera des aimants supraconducteurs refroidis à l'hélium liquide presque au zéro absolu et confinant magnétiquement un plasma à 110 millions de degrés. Iter commencera à fonctionner vers 2020 et pendant des années, les chercheurs apprendront à optimiser le fonctionnement de la machine. Mais ce n'est qu'en 2027 au minimum que débuteront réellement les expériences avec de véritables réactions de fusion. On espère ensuite atteindre un rendement (on parle de facteur d'amplification) d'au moins 10 pendant 400 secondes, c'est-à-dire produire au final 10 fois plus d'énergie qu'il n'en faut pour faire fonctionner le réacteur. Un rendement en continu de 5 est aussi l'objectif à atteindre.

Iter lui-même n'est pas le prototype des centrales à énergie de fusion, qui fleuriront peut-être un jour sur tous les continents. Il n'est pas conçu pour cela : il sert à donner une preuve de principe que de telles centrales sont réalisables. Il ne produira pas non plus le tritium nécessaire à la réaction de fusion. À Iter devrait donc succéder Demo ( demonstration power plant), le premier véritable prototype de réacteur pour la commercialisation d'électricité, prévue à l'horizon 2050.

Modifier Tore Supra grâce au projet West

Une telle date doit faire sourire les transhumanistes, tenants de la théorie de la singularité de Ray Kurzweil. Des années 1950 aux années 2050, le chemin semble long, mais en regardant les progrès dans les performances des tokamaks depuis les années 1970, on est stupéfait d'apprendre qu'ils suivent presque la loi de Moore. Mieux, ces progrès sont plus rapides que ceux des accélérateurs de particules et des puces électroniques.

Mais ne nous y trompons pas, il y a encore bien des obstacles sur le chemin menant des énergies fossiles des XIX e et XX e siècles à l'énergie presque inépuisable de la fusion contrôlée du XXI e siècle. L'une des étapes à franchir est la mise au point de ce que l'on appelle le divertor d'Iter. Et pour cela, il est très important que le projet West ( W Environment in Steady-state Tokamak en anglais, où W est le symbole du tungstène) aboutisse, comme on va le voir dans un prochain article. Il consiste à modifier Tore Supra pour en faire un banc d'essai pour Iter, dans le but de minimiser les risques liés au divertor.

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Iter : le Soleil se lève sur la fusion nucléaire avec West au CEA

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Iter est une étape essentielle sur le chemin menant à la production commerciale d'électricité par un réacteur thermonucléaire, via la fusion contrôlée. Le succès de ce projet mobilise le CEA...

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Le projet ITER : la fusion nucléaire, l’énergie du futur ?

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Conférence en ligne - Fusion nucléaire - Chaud devant!

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News JVTech Seuls 20 kg de tritium sont produits dans le monde chaque année : comment la fusion nucléaire vise à obtenir tout le tritium dont elle a besoin

Vous avez forcément déjà entendu parler de la fusion nucléaire. Ces réacteurs censés nous fournir l'énergie de demain sont loin d'être prêts et plusieurs défis majeurs se dressent face à la communauté scientifique. L'un d'entre eux se nomme tritium.

Le tritium et la fusion nucléaire : état des lieux

Dans la nature, le tritium est rare. Très rare. En effet, cet isotope radioactif de l'hydrogène peut se trouver dans les couches supérieures de l'atmosphère en raison de l'interaction entre les rayons cosmiques et les noyaux des gaz atmosphériques, mais cette production naturelle est très modeste. Pour être précis, moins de 10 kilogrammes sont produits chaque année dans l'atmosphère terrestre.

Vous vous en doutez, le tritium disponible sur notre planète n'est pas entièrement d'origine naturelle. Les essais nucléaires atmosphériques réalisés entre la fin de la Seconde Guerre mondiale et les années 1980 ont déversé quelques dizaines de kilogrammes de cet isotope dans les océans. Les réacteurs nucléaires de type CANDU, des dispositifs à eau lourde sous pression développés au Canada, en produisent également. Chaque réacteur de 600 MW génère environ 100 g de tritium par an, ce qui nous donne une production annuelle globale d'environ 20 kg.

L'Union Européenne forme une alliance de pays incluant la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée-du-Sud, la Russie et les USA sous la bannière ITER, ou Réacteur Thermonucléaire Expérimental International. Le centre de test se trouve en France, à Cadarache. Concrètement, le projet est de créer une alternative au nucléaire que l'on connaît en réalisant non pas une fission de noyaux d'atomes, mais, vous l'avez compris, une fusion de noyaux. Et les deux éléments aptes à cette fusion ne sont autres que le deutérium et... le tritium. Comme nous venons de le voir, le tritium est très rare, mais le peu de tritium accumulé dans le monde suffit pour que ce réacteur expérimental de fusion nucléaire dispose de ce dont il a besoin tout au long de sa durée de vie opérationnelle, d'environ quinze ans.

Une fois transformé en plasma et porté à plusieurs centaines de millions de degrés, la fusion de deux éléments dégage de l'énergie et cette énergie peut être convertie en électricité. Pour l'instant, la fusion nucléaire est loin d'être au point. Ceci étant dit, les scientifiques poussent déjà pour mettre sur pied un projet post-ITER, appelé DEMO. Le projet DEMO propose de dégager une puissance de 500 MW pendant 4 minutes, ce qui est équivalant aux centrales électriques d'aujourd'hui. Après DEMO, si tout se passe comme prévu par les ingénieurs, viendront les premières centrales à fusion commerciales. Problème : chacun de ces réacteurs du futur aura besoin de 100 à 200 kg de tritium par an, il est donc clair que nous allons avoir besoin de bien plus de matière que les 20 pauvres kilos produits chaque année sur Terre.

schéma du projet DEMO

Une solution pour produire du tritium en grande quantité ?

Et si les futurs réacteurs de fusion nucléaires étaient capables de générer eux-mêmes tout le tritium dont ils auront besoin pour fonctionner ? Cette ambition folle est portée par la pupart des chercheurs qui bossent sur ces questions hautement techniques. Les réacteurs expérimentaux JET à Oxford, en Angleterre, et JT-60SA à Naka, au Japon, servent à tester cette nouvelle innovation. Si tout fonctionne comme prévu, l'approvisionnement externe en tritium sera minimal et limité à des moments très précis de la durée de vie des réacteurs à fusion nucléaire.

Très bien, mais comment est-il possible qu'un réacteur produise autant de tritium ? On vous explique. Sur le papier, ce que les scientifiques comptent faire est simple : ils placent du lithium dans le manteau qui tapisse l'intérieur de la chambre à vide du réacteur de fusion. Pour quoi faire ?

L'un des sous-produits de la fusion nucléaire est un neutron libéré avec une énergie d'environ 14 MeV.

Lorsqu'une de ces particules frappe un des atomes de lithium dans le manteau de la chambre, elle modifie sa structure.

Cela produit un atome d'hélium, qui est un élément chimique inoffensif... et un atome de tritium.

Bien entendu, même si on peut résumer le procédé en 3 petits points, sa réalisation est extrêmement complexe. D'une part, il est essentiel que le taux qui relie les neutrons à haute énergie produits lors de la fusion et les atomes de tritium générés dans les parois de la chambre à vide soit idéal. D'autre part, il faut résoudre le problème du transport du tritium de l'endroit où il est généré à l'endroit où il sera consommé, ce qui n'est pas une mince affaire car c'est un gaz qui se disperse facilement, surtout à haute température. Croisons les doigts pour que la régénération du tritium dans ITER se passe bien.

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Seuls 20 kg de tritium sont produits dans le monde chaque année : comment la fusion nucléaire vise à obtenir tout le tritium dont elle a besoin

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Vous avez forcément déjà entendu parler de la fusion nucléaire. Ces réacteurs censés nous fournir l'énergie de demain sont loin d'être prêts et plusieurs défis majeurs se dressent face à la communauté scientifique. L'un d'entre eux se nomme tritium. Le tritium et la fusion nucléa...

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Comment fonctionne la fusion nucléaire, expérimentée en Provence avec ITER

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La fusion nucléaire est un phénomène naturel dans les étoiles. ITER souhaite le reproduire artificiellement sur Terre.

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ITER

Tokamak

La Réaction de fusion

Origine des isotopes

Valeur du Champ magnétique  B ?

Température, T  pour la fusion,

Température, pour les aimants supraconducteurs ?

Quels apports d’énergie pour « préchauffer «  le plasma ?

Quelle particule est à l’origine de l’énergie ?

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La réaction de fusion deutérium-tritium (D-T) génère un flux de neutrons de haute énergie ainsi que des noyaux d’hélium. Tandis que le plasma demeure confiné par les champs magnétiques du tokamak, les neutrons, qui sont électriquement neutres, s’échappent et sont absorbées par les modules de couverture qui tapissent la paroi.La présence de lithium dans ces modules de couverture déclenche la réaction suivante : le neutron incident est absorbé par l’atome de lithium, lequel se recombine alors en un atome de tritium et un atome d’hélium. On peut ensuite extraire le tritium de la couverture, le recycler dans le plasma et le rendre à sa fonction de combustible.On appelle « couvertures tritigènes » les couvertures qui contiennent du lithium. Les centrales de fusion de demain devront produire dans leur enceinte même le tritium qu’elles consommeront. ITER sera le premier tokamak à tester l’autosuffisance en tritium dans les conditions réelles d’un environnement de fusion. Des recherches supplémentaires seront nécessaires pour démontrer la production et le recyclage de tritium à grande échelle.