Les grandes nations industrielles en quête d'une énergie semblable à celle du soleil se sont tournées vers la fusion nucléaire au lendemain de la Seconde Guerre mondiale. Faible coût de production, fiabilité, faible émission de carbone… Cette nouvelle ressource avait tout pour plaire.
L'alternative à la fission nucléaire se présente comme une source d'électricité presque infinie. La recherche et l'exploitation de la fusion thermonucléaire sont encore loin d'être évidentes.
Aucune infrastructure de production viable n'a pu être construite malgré les innovations technologiques dans le secteur des énergies renouvelables. Principe fondamental, avantages, inconvénients, défis, perspectives… SirEnergies vous explique en détail les enjeux autour de la fusion nucléaire !
Fusion nucléaire : de quoi s'agit-il ?
La fusion nucléaire est un procédé technique permettant de produire une forte énergie thermique à partir de plusieurs matériaux radioactifs. La chaleur est ensuite convertie en électricité. Le terme « fusion » est utilisé, car le procédé de fabrication repose sur la condensation de deux noyaux atomiques pour obtenir un noyau plus lourd.
La réaction de fusion s'observe aussi au cœur du soleil et des étoiles. Ils sont essentiellement composés d'un « plasma » d'hydrogène à l'intérieur duquel les atomes fusionnent.
Comment est-ce possible ? Les atomes d'hydrogène ne sont-ils pas censés se repousser ? En théorie, oui. Le plasma est cependant un gaz ionisé et chaud.
De plus, le centre d'une étoile se distingue par une force gravitationnelle élevée et une forte température (environ 15 millions de degrés Celsius pour notre soleil). Les particules n'ont d'autre choix que d'entrer en collision et de fusionner. La fusion nucléaire sur Terre tente tout simplement de reproduire ce procédé.
La condensation des atomes d'hydrogène aboutit à la naissance d'un noyau lourd, mais également très instable… Le neutron est alors expulsé, provoquant une infime perte de masse. Ce qui est un petit pas pour le noyau est toutefois un grand pas pour l'Homme. La quantité d'énergie libérée par cette expulsion est tout simplement énorme, mais le procédé est loin d'être fini.
D'autres particules se rencontrent au fur et à mesure de la condensation, produisant une énergie croissante. La réaction de fusion continue tant qu'il y a des ressources à consumer.
La fusion nucléaire est possible sur Terre, du moins en théorie. Elle pourrait permettre de produire une importante quantité d'électricité grâce à des turbines adaptées.
Le système à mettre en place ne diffère en rien de la technologie actuelle : la fission nucléaire. La chaleur issue de la réaction augmente la température de l'eau contenue dans un circuit primaire. Ce dernier chauffe à son tour le stock d'eau du circuit secondaire. À ce stade, la vapeur d'eau fait tourner la turbine reliée à l'alternateur pour produire de l'électricité.
Pourquoi utiliser la fusion nucléaire ?
La fusion thermonucléaire est en principe une source inépuisable d'énergie. Pour mieux cerner son potentiel et savoir dans quelle mesure elle représente l'énergie du futur, découvrez ses avantages et inconvénients.
Les avantages de la fusion nucléaire
Il n'est possible de mesurer l'intérêt de la fusion nucléaire qu'en la comparant à un procédé similaire : la fission. Cette dernière est critiquée en raison des risques techniques qu'elle présente.
La fusion peut en principe éviter ces risques tout en facilitant une production énergétique plus importante. Parmi les avantages de ce procédé, nous pouvons citer :
- Une production quatre fois plus puissante que la fission,
- Un risque d'accident limité (absence de réaction en chaîne),
- Des conséquences limitées sur l'environnement et les populations.
L'un des points les plus importants en matière d'énergie nucléaire est la gestion des déchets. Bien que la fusion produise des déchets, ceux-ci ne sont pas hautement radioactifs.
Il devrait être possible de recycler les résidus les plus préoccupants dans les 100 ans après leur exploitation. Rappelons que les détritus issus de la fission nucléaire ont une durée de vie allant de 300 ans à plusieurs milliers d'années.
Les limites de la fusion thermonucléaire
La fusion nucléaire n'est pas sans risques. L'Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN) souligne la formation de résidus potentiellement problématiques. Ces déchets sont liés à l'érosion des matériaux qui composent la couverture interne du réacteur comme le tungstène ou le béryllium.
D'autres formes de pollution relatives au démantèlement des futurs réacteurs nucléaires ou des projets de fusions existants sont à prévoir. Le risque est d'autant plus réel que de nombreux matériaux et infrastructures sont irradiés lors de l'exploitation des centrales nucléaires. Ce problème reste néanmoins de moindre envergure comparativement aux conséquences de la fission.
ITER ou la promesse d'une révolution nucléaire
Pour créer et confiner du plasma de fusion, les chercheurs ont conçu un réacteur expérimental : le tokamak. Plus de 200 modèles ont été construits dans le monde depuis les années 1950 dans l'espoir de produire le Saint Graal : la fusion nucléaire.
Les projets les plus connus sont :
- La KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research),
- L'East (Experimental Advanced Superconducting Tokamak),
- Le West (Tungsten Environment in Steady-state Tokamak),
- Le Jet (Joint European Torus).
Les scientifiques réalisent des tests grandeur nature pour maîtriser l'énergie de la fusion nucléaire. Chacun de ces projets est une véritable mine de renseignements pour donner vie au projet international ITER : le réacteur thermonucléaire expérimental international.
Depuis 2006, le projet bénéficie de la collaboration entre 35 pays pour la construction d'un tokamak. Les travaux ont lieu à Cadarache dans le sud de la France. ITER devrait commencer sa production de plasma à l'horizon 2026. La première fusion deutérium/tritium ne devrait toutefois pas avoir lieu avant 2035.
Loin d'être un frein, cette période d'attente permettra aux chercheurs d'augmenter la puissance de l'installation de manière progressive. L'objectif est de stabiliser la structure de ce tokamak de 830 m3 tout en palliant les surcoûts qui entravent sa finalisation.
Les enjeux autour du réacteur international sont énormes. Si ITER réussit à réaliser et à pérenniser la fusion nucléaire, il démontre par la même occasion la faisabilité technique du projet.
Les parties prenantes aux recherches prévoient ensuite de construire un autre tokamak appelé « Démo ». Son objectif ? Démontrer d'ici 2050 qu'il est possible de produire en grande quantité de l'électricité avec la fusion thermonucléaire.
Selon les experts, 2050 est l'année à partir de laquelle nous pourrions exploiter l'énergie de la fusion. Il faudra toutefois surmonter les défis techniques restants avant cette échéance. De plus, la production industrielle ne sera possible que bien plus tard… Alors, s'agit-il de l'énergie du futur ?
Quel avenir pour la fusion nucléaire ?
L'avenir de la fusion nucléaire dépend de la capacité des chercheurs à surmonter les obstacles à son exploitation. Pour répondre à cette question, analysons les défis et résultats obtenus jusqu'ici.
De nombreux défis pour un secteur en pleine mutation
L'énergie de la fusion est une utopie. Nous pourrions être tentés de tirer cette conclusion, tant les défis à relever sont nombreux. Rappelons que l'objectif du projet est de reproduire les conditions de la formation du plasma tel qu'il est présent dans le soleil. Seulement, voilà : la force gravitationnelle n'est pas du tout la même sur Terre.
Le problème peut être formulé autrement. Pour exploiter l'énergie de la fusion nucléaire, les scientifiques ont besoin de 4 éléments. Il s'agit :
- D'une ressource de base composée d'atomes légers,
- D'un réacteur surpuissant pour créer le plasma,
- D'un dispositif de confinement pour contenir le plasma,
- D'une solution pour densifier le plasma de sorte à favoriser les collisions atomiques.
Pour l'heure, deux ingrédients semblent adaptés pour mijoter dans la soupe de plasma. Il s'agit du deutérium (D) et du tritium (T), deux isotopes de l'hydrogène.
Ils ont la particularité d'offrir un bon rendement énergétique à une température assez basse. La fusion D-T nécessite néanmoins une température de 150 millions de degrés. Vous avez du mal à visualiser ? C'est simple : il faut 10 fois plus que la température au centre du soleil…
Même si les scientifiques arrivent à produire cette ressource en grande quantité, qu'en est-il du plasma ? Deux techniques sont à l'étude : le confinement inertiel et le confinement magnétique.
Dans le cas de la première solution, il faut chauffer une capsule métallique d'environ 2 mm avec des faisceaux de laser… Avec une puissance de 300 milliards de watts !!! Cette technique n'a pas encore permis d'atteindre le seuil d'ignition (la production de l'énergie thermique escomptée).
Le confinement magnétique est la solution qui implique l'utilisation d'un tokamak. Il permet de confiner le plasma à l'aide de plusieurs champs magnétiques. Les aimants disposés à l'intérieur de la structure permettent d'éviter une collision entre les particules du plasma et les parois du tokamak. Le problème reste que cette technique est impossible à réaliser avec une grande quantité d'atomes !
Fusion nucléaire : des résultats encore partiels
Des premiers tokamaks à nos jours, la fusion nucléaire oscille entre engouement excessif et stagnation technologique. Quant aux résultats, ils sont encore au stade embryonnaire.
Dans une annonce effectuée en décembre 2021, le tokamak chinois East confirme qu'il a maintenu un plasma de fusion à près de 70 millions de degrés Celsius pendant 17 minutes et 36 secondes.
Le réacteur anglais Jet a réussi à produire près de 11 MW pendant 5 secondes en 2022. Sur le papier, il s'agit d'une avancée majeure. La quantité produite est cependant à peine suffisante pour alimenter une ampoule LED pendant 2 h.
Tous les regards sont désormais tournés vers ITER. Théoriquement, ce tokamak est en mesure de produire 500 MW pendant 400 secondes en utilisant uniquement 50 MW pour réaliser la fusion D-T. Pour l'heure, il est difficile d'envisager une production à grande échelle.
En définitive, la fusion nucléaire a toutes les caractéristiques de l'énergie du futur. Son exploitation est encore un rêve lointain, mais les performances d'ITER et celles des autres projets de fusion sont prometteuses.
Pour aller plus loin, n'hésitez pas à consulter notre article sur l’histoire de l’énergie nucléaire en France.
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