Une petite start-up américaine a annoncé, fin aout, une avancée majeure dans le domaine de la fusion, le Saint Graal de l’énergie, qui pourrait nous débarrasser des combustibles fossiles pour toujours. Mais avant d’y revenir, permettez au Guru de faire une petite introduction à cette production d’énergie tant convoitée.

Image d’entête : la fusion nucléaire est naturellement à l’oeuvre dans le soleil et la plupart des étoiles de l’univers. (NASA/SDO)

A l’origine, le feu…

La possibilité de non seulement utiliser, mais également de créer le feu à volonté, une source de chaleur, de lumière et d’énergie qui peut être appliquée à une variété de fins, fut peut-être la clé du développement qui a conduit l’humanité à dominer le monde végétal et animal et finalement, la Terre elle-même. En exploitant et en contrôlant une forme d’énergie rapidement libérable qui découle d’une source abondante, accessible et disponible gratuitement, la matière végétale, nous sommes devenus capables de faire quelque chose qu’aucune autre créature vivante sur Terre n’avait jamais fait auparavant.

Au fil du temps, nous avons pu passer à des technologies plus efficaces et évolutives.

Au lieu de brûler du bois pour l’énergie, nous avons pu trouver des sources de carburant, qui renfermait une plus grande quantité d’énergie libérable, en de plus petites masses et volumes : le charbon, le pétrole et le gaz. Mais ce sont encore des sources d’énergie à base de produits chimiques, où l’énergie est libérée en changeant la configuration des liaisons des électrons dans les atomes et les molécules. Alors que cela peut libérer beaucoup d’énergie, jusqu’à des dizaines d’électrons-volts pour chaque électron “réarrangé”, cela pose trois problèmes :

• Les ressources ne sont pas infinies, il y a une quantité limitée de combustibles fossiles sur notre planète.
• Il y a un cout environnemental : même dans les meilleurs cas, ces combustibles polluent notre air et l’eau avec des produits chimiques nocifs.
• Et enfin, elles ne sont pas beaucoup plus éconergétiques que notre solution originale de bruler de la matière végétale.

La fission nucléaire

Au 20e siècle, nous avons découvert les secrets pour canaliser l’énergie à l’intérieur du noyau atomique, ce qui nous permet de diviser les éléments les plus lourds à travers le processus de la fission nucléaire.

Alors qu’une réaction en chaine incontrôlée conduirait à une catastrophe nucléaire, une réaction contrôlée peut fournir une libération constante de puissance qui est beaucoup, beaucoup plus efficace. Au lieu de libérer des dizaines d’électrons-volts pour chaque atome ou molécule de carburant, une réaction de fission nucléaire en libèrerait des millions. Et pourtant, la fission nucléaire a aussi ses inconvénients :

• Les ressources ne sont également pas infinies et dans ce cas, extrêmement rare. Les matériaux contenant de l’uranium fissile ou du thorium sont très difficiles à trouver, notamment en de grandes quantités.
• Les déchets et les réactifs sont radioactifs. Ainsi, de drastique précautions doivent être prises pour ne pas contaminer l’air ou l’eau et la vie végétale et animale environnante.
• Et enfin, le risque d’une catastrophe écologique, par exemple par un effondrement de la centrale, entrainant des conséquences du niveau de Tchernobyl.

Mais il y a une autre façon d’exploiter la puissance du noyau qui contourne ces trois risques :

La fusion nucléaire

C’est le même processus qui est à l’œuvre dans le Soleil : en combinant des éléments légers, qui sont très abondants, en de plus lourds (comme l’hydrogène en hélium), nous pouvons libérer encore plus d’énergie que la fission nucléaire, environ trois à dix fois plus en moyenne. En outre, les ressources sont incroyablement communes, comme ces éléments légers sont parmi les plus courants sur Terre, dans notre atmosphère et dans l’Univers en général. Il n’y a pas de radioactivité et les risques environnementaux sont nuls. Bref, c’est l’ultime forme d’énergie propre et verte, offrant la possibilité de répondre à tous les besoins en énergie de l’humanité pour des centaines de millions d’années.

Les réacteurs à fusion créeront de la chaleur en percutant deux atomes à l’intérieur d’un container pour en former un seul. Les particules dégagées, des atomes percutés, réchauffent les parois du container. Cette chaleur réchauffe à son tour de l’eau en vapeur qui poussera une turbine qui génèrera de l’électricité.

Le seul problème, c’est que nous n’avons pas encore compris comment atteindre le point d’équilibre de l’énergie dans la fusion nucléaire, où l’énergie libérée par la fusion est égale ou supérieure à l’énergie dépensée, désigné break-even en anglais, sans provoquer l’explosion d’une bombe à hydrogène.

Actuellement, trois procédés différent tentent de maitriser la fusion :

La fusion par confinement inertiel : une pastille d’hydrogène, le carburant pour cette réaction de fusion, est compressée en utilisant de nombreux lasers qui l’entourent. La compression provoque la fusion du noyau d’hydrogène en éléments plus lourds, comme l’hélium et libère un sursaut d’énergie.

Représentation artistique des faisceaux laser du National Ignition Facility focalisés sur une cible dans une capsule d’or de la taille d’une gomme à crayon.

Nous n’avons encore pas encore atteint ce très important break-even, car il faut beaucoup plus d’énergie, pour faire fonctionner les lasers, que nous avons été en mesure d’en tirer de toute réaction de fusion que nous avons créé. Mais, récemment, des scientifiques de l’université d’Osaka ont créé un laser (LFEX) capable d’émettre des impulsions de 2 quadrillions Watts de puissance, ce qui pourrait être suffisant, avec la bonne application, pour créer plus d’énergie par fusion qu’il n’en est dépensé. A suivre…

LFEX petawatt laser, université d’Osaka :

La fusion par confinement magnétique : au lieu d’utiliser la compression mécanique, pourquoi ne pas laisser la force électromagnétique se charger du confinement ? Les champs magnétiques confinent un plasma surchauffé de matériau fusible et les réactions de fusion nucléaire se produisent à l’intérieur d’un réacteur du style Tokamak ou chambre toroïdale avec bobines magnétiques.

Le plus grand Tokamak existant (en attendant celui d’ITER), est le Joint European Torus (JET) situé au Culham Science Center près d’Oxford au Royaume-Uni, qui réalise la fusion nucléaire entre le deutérium et le tritium.  Il détient le record mondial qui est, à ce jour, de 16 MW générés pour une puissance fournie de 25 MW durant 1 sec.

Il y a également le projet ITER (réacteur thermonucléaire expérimental international), dont la construction a débuté en 2005 à proximité de Cadarache (France), pour normalement se terminer en 2019. Il doit permettre de démontrer la faisabilité technique de la production d’énergie à partir des réactions de fusion. Sa mission n’est pas de produire de l’électricité, mais de tester les technologies nécessaires à la fabrication d’un futur réacteur expérimental DEMO (DEMOnstration Power Plant, en français, Centrale électrique de démonstration) d’une puissance prévisionnelle de 1 500 MW, dont l’objectif sera de démontrer la faisabilité industrielle de la production d’électricité par la fusion nucléaire.

Plan du Tokamak d’ITER (iter.org)

Tokamak européen JET, avant et pendant son fonctionnement. (EFDA/ JET)

Ce concept a d’abord été utilisé pour fusionner des éléments dans les années 1950 et depuis, tant le confinement magnétique que le confinement inertiel ont minutieusement progressé pour se rapprocher du point d’équilibre, où l’énergie de fusion dépasse l’énergie d’entrée.

Bien que ce point n’a pas encore été atteint, une récente et nouvelle avancée réalisée par une petite entreprise de fusion mérite un peu d’attention :

La société privée américaine, Tri Alpha Energy, a annoncé qu’elle a construit une machine qui peut contenir un “blob” de plasma chaud stable à 10 millions de degrés Celsius, pendant cinq millisecondes. En terme de fusion et s’ils disent vrai, c’est incroyablement long. Qui plus est, ils l’ont fait en utilisant un modèle de réacteur plutôt inhabituel : un long tube, cylindrique qui fait entrer en collision deux “donuts” de plasma pour produire d’énormes quantités de chaleur. Le blob de plasma obtenu est ensuite stabilisé avec des faisceaux de particules de haute énergie, comme expliqué dans la vidéo ci-dessous :

Ils auraient ainsi trouvé un moyen peu couteux d’augmenter la densité, la température et le temps de confinement d’un plasma, pour réaliser la fusion nucléaire par l’intermédiaire de cette méthode, une possibilité intrigante. A suivre… (source : Science AAAS)

La fusion à cible magnétisée (Magnetized Target Fusion, MTF) : dans ce procédé, un plasma surchauffé est créé et confiné magnétiquement, mais des pistons entourent et compriment le carburant à l’intérieur, créant une explosion de fusion nucléaire (GIF ci-dessous). Cette approche hybride a été développée par Michel Laberge et elle est l’une des seules autres approches, avec les deux principales, à réussir à fusionner des atomes d’hydrogène en hélium. Malheureusement, elle n’a pas donné de meilleurs résultats que les deux autres techniques pour se rapprocher du break-even et cette méthode n’a pas progressé depuis environ cinq ans.

(generalfusion.com)

Bien évidemment, les détracteurs soutiendront que nous sommes encore à des décennies de pouvoir profiter des bénéfices de la fusion, mais la réalité est que nous nous sommes de plus en plus rapprochés du fameux seuil de rentabilité et que nous avons résolu un grand nombre de défis techniques au cours des vingt dernières années. La fusion nucléaire, si jamais nous la maitrisons à grande échelle, va inaugurer une nouvelle ère pour l’humanité : celle où la conservation de l’énergie appartiendra au passé, alors que le carburant sera littéralement sans limites. A suivre…