Fusion nucléaire : une source d’énergie idéale qui doit faire ses preuves

La raréfaction des énergies fossiles, combinée aux dangers du changement climatique nous pousse à privilégier les sources d’énergie décarbonée, en particulier pour l’électricité. Les options d’un mix électrique sans carbone sont par exemple l’hydroélectrique, la géothermie, l’éolien, le solaire photovoltaïque ou thermique mais aussi… le nucléaire qui rappelons-le émet aussi peu de CO2 que les énergies sus-citées.

Lorsque l’on parle de « l’énergie nucléaire », on désigne par abus de langage la production d’électricité par des centrales à réacteur à fission nucléaire. Cette technique permet une production massive et pilotable d’électricité décarbonée à un coût raisonnable, mais est loin de faire l’unanimité du fait des risques qu’elle présente. Malgré ses avantages, on peut comprendre que l’on ne souhaite pas en dépendre complètement à long terme, et que de ce fait les alternatives seront les bienvenues. On oublie alors souvent qu’il existe une autre façon de tirer partie de l’énergie contenue dans les noyaux des atomes mais qui n’a rien à voir avec la technologie utilisée dans nos réacteurs actuels. Il s’agit de la fusion nucléaire.

La fusion, c’est quoi ?

Rappelons d’abord rapidement ce qui se passe dans un réacteur à fission ordinaire. La fission désigne une réaction lors de laquelle un noyau se casse en deux noyaux plus petits. Dans un réacteur, on crée une réaction en chaîne avec des noyaux d’uranium, principalement, ce qui génère de l’énergie (celle-ci sert in fine à former de la vapeur pour alimenter une turbine qui génère l’électricité).

Dans cette réaction, la masse des produits que l’on obtient est inférieure à la masse des noyaux de départ. Cette masse manquante se transforme en une grande quantité d’énergie, en cohérence avec la fameuse équation d’Einstein E=mc².

La fusion, c’est le processus nucléaire inverse : l’énergie récupérée provient de la fusion de deux noyaux légers pour former un noyau plus gros, comme lorsque deux gouttelettes d’eau entrent en contact. C’est ce qu’il se passe au sein des étoiles, où des réactions de fusion « brûlent » petit à petit le stock de noyaux légers pour former des noyaux plus lourds. Il est intéressant de remarquer au passage que l’énergie solaire que l’on reçoit sur Terre est donc d’origine nucléaire.

Exemple de réaction de fusion avec du deutérium et du tritium donnant de l’hélium et un neutron.

Pour déclencher la fusion, il faut tout d’abord confiner les noyaux, mais ce n’est pas suffisant, étant donné qu’ils sont chargés positivement, ils se repoussent et ne peuvent pas entrer « en contact ». Pour dépasser cette barrière (dite coulombienne), il est nécessaire de rendre ces noyaux très énergétiques pour leur permettre de se rapprocher, ce qui signifie, en plus du confinement, de chauffer très fort. Il existe deux approches principales pour obtenir ces conditions : la technique inertielle et la technique par confinement magnétique. C’est à cette dernière que l’on s’intéresse pour les applications de production d’énergie. En quoi consiste ce « confinement magnétique » ? En fait, il se trouve qu’aux températures nécessaires pour la fusion, la matière est à l’état de plasma (qu’on appelle parfois « quatrième état de la matière » après les états solide, liquide et gazeux). Dans cet état, les électrons sont détachés des noyaux, et doivent être maintenus dans un espace confiné pour ne pas refroidir. Puisque les électrons et noyaux possèdent une charge électrique, ils peuvent être confinés à l’aide de champs magnétiques, ils restent alors piégés dans une chambre toroïdale (en forme de donut) : le tokamak.

Géométrie générique d’un tokamak, dans lequel le plasma est confiné magnétiquement (crédit : DaveBurke CC BY 2.5)

Dans le Soleil, le confinement est gravitationnel : du fait de sa masse gigantesque, les noyaux en son sein sont naturellement confinés. Dans un tokamak, le confinement magnétique n’est pas aussi efficace. Pour compenser cela, les noyaux doivent être portés à des températures de l’ordre de 150 millions de degrés – soit environ dix fois la température au centre du Soleil. Pour y parvenir, le plasma est chauffé par différents moyens. On utilise par exemple l’injection de particules neutres très rapides qui transmettent leur énergie au plasma, ou encore l’application d’ondes électromagnétiques qui chauffent le plasma par le même processus que dans un four à micro-onde. Une fois que le plasma est assez énergétique, on obtient des réactions de fusion, qui dégagent de l’énergie, c’est la fusion nucléaire contrôlée. Le but est alors de récupérer cette énergie en chauffant un fluide, comme dans les réacteurs à fission actuels. Il existe de nombreuses machines de type tokamak ou assimilé dans le monde. Le plus gros tokamak en service aujourd’hui est le Joint European Torus (JET) situé près d’Oxford en Angleterre.

Visualisation de l’intérieur du tokamak JET en fonctionnement (crédit : CCFE)

Un potentiel très séduisant

La fusion nucléaire suscite l’enthousiasme car ses promesses font d’elle une source d’énergie idéale pour subvenir aux besoins de l’humanité :

• Comme la fission, la réaction de fusion n’émet pas de gaz à effet de serre. Si l’on revient aux exigences de base d’une technique de production d’électricité durable, c’est un point capital.
• Lors du fonctionnement, le combustible est injecté petit à petit dans le réacteur. De plus, il faut fournir de l’énergie continuellement pour maintenir la température du plasma. Ces deux réalités font que si l’apport en énergie ou combustible est coupé, le plasma disparaît très rapidement. Il n’y a donc aucun risque d’emballement et de perte de contrôle (contrairement à ce que laisse imaginer la fameuse scène de Spider-Man 2), d’autant plus qu’il ne s’agit pas d’une réaction en chaîne.
• Contrairement à la fission nucléaire, la réaction de fusion ne produit pas de déchets radioactifs à longue durée de vie. Par exemple, si l’on reprend la réaction entre le deutérium et le tritium, on produit tout simplement de l’hélium. Le tritium est radioactif, mais à courte durée de vie : au bout de 60 ans sa radioactivité a presque disparu. Il sert de combustible pour la réaction, et peut donc activer les composants qui sont face au plasma, comme la paroi interne du réacteur. Celle-ci subit le flux neutronique mais ce flux et la radioactivité restent confinés.
• Si les procédés proposés fonctionnent, les réserves de combustible pour la fusion sont quasi infinies. On peut trouver le deutérium dans l’eau de mer. Le tritium lui, n’existe pas naturellement, l’objectif est de le produire sur place en soumettant du lithium au flux de neutrons produits par la réaction dans la paroi interne du réacteur.

Ajoutons à cela que la capacité à produire de l’énergie ne dépend pas de la météo, au contraire du solaire ou de l’éolien, mais peut être calibrée sur demande. Sur tous ces critères, la fusion a des atouts supérieurs à toutes les autres sources d’énergie, notamment pour un grand pays qui n’a pas la chance d’avoir un potentiel de renouvelables conséquent. Mais alors, si cette énergie est si formidable, qu’est-ce qu’on attend pour l’exploiter ?

De multiples obstacles

Les possibilités offertes par la fusion ont été imaginées en même temps que celles de la fission, mais cette dernière a donné des résultats exploitables bien plus rapidement, car plus facile à mettre en œuvre. En effet, même si d’énormes progrès ont été faits depuis les années 50, il n’existe toujours pas de centrale à fusion, et les réacteurs sont tous des réacteurs de recherche. Pourquoi ? C’est principalement du fait des défis scientifiques et technologiques que pose l’exploitation de la fusion, et donc du caractère long-terme de la recherche qui y est associée. Actuellement, la majorité des tokamaks servent davantage à étudier la physique du plasma, et la réaction de fusion entre deutérium et tritium n’a été testée que sur le tokamak JET. Cependant, lors de ces tests, l’énergie consommée pour chauffer le plasma est toujours supérieure à l’énergie délivrée par la fusion. Pour améliorer les performances et atteindre le breakeven (puissance générée = puissance injectée), il est nécessaire d’augmenter la taille du tokamak. C’est l’objectif du projet international ITER, rassemblant des pays du monde entier : États-Unis, Chine, Russie, Inde, Japon, Corée du sud et Union Européenne. ITER est actuellement en construction en France à Cadarache et devrait lors de son fonctionnement fournir une puissance 10 fois supérieure à la puissance fournie sur une durée d’un quart d’heure, et 5 fois supérieure sur une heure.

Site de construction d’ITER

Ce réacteur a donc pour  but de démontrer la faisabilité technologique de la fusion, mais ne produira pas d’électricité. Il devra aussi permettre de tester des solutions aux problèmes de stabilité du plasma, de génération interne de tritium, et de tenue des matériaux subissant le flux neutronique, qui sont de véritables défis sur les plans scientifique et technologique. En parallèle, la conduite du projet ITER rencontre plusieurs difficultés, notamment du fait des contraintes associées à l’envergure internationale du projet. De 5 milliards d’euros prévus, le budget atteint maintenant 13 milliards soit largement plus que le LHC du CERN. Si à l’avenir on sait produire de l’électricité grâce à la fusion, la question du coût de production du kWh demeure encore une grande inconnue, mais comme toute technologie on peut s’attendre à ce que les progrès techniques et la standardisation de la production permette de baisser les coûts dans une certaine mesure.

Ce qui est certain, c’est que les résultats d’ITER risquent d’être décisifs pour le futur de la recherche en fusion nucléaire. Les efforts financiers déjà consentis sont conséquents, et il est compréhensible que la collectivité attende des résultats qui justifient ces investissements. Si ce n’est pas le cas, il sera peut-être difficile d’envisager la poursuite des recherches à grande échelle. D’un autre côté, si ITER tient ses promesses, on pourra s’attendre à un regain d’intérêt considérable pour la filière fusion nucléaire par confinement magnétique au niveau international. Dans ce cas, des projets ultérieurs sont prévus (DEMO/PROTO) ayant pour but de faire passer la fusion nucléaire contrôlée de sujet de recherche à une véritable solution commerciale de production d’électricité. Dans le meilleur des cas, il faudra probablement attendre plusieurs décennies pour voir arriver une électricité partiellement produite par la fusion quelque part dans le monde. Le chemin promet donc d’être difficile, mais si on arrive au bout, la fusion nucléaire contrôlée représente une véritable aubaine énergétique pour l’humanité.

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