Nous entrons dans les coulisses du plus grand dispositif de fusion nucléaire au monde pour tenter d’exploiter l’énergie de la même réaction qui alimente le Soleil et les étoiles.
Au cœur de la Provence, certains des esprits scientifiques les plus brillants de la planète préparent le terrain pour ce que l’on appelle l’expérience scientifique la plus grande et la plus ambitieuse au monde.
« Nous construisons sans doute la machine la plus complexe jamais conçue », confie Laban Coblentz.
La tâche à accomplir est de démontrer la faisabilité d’exploiter la fusion nucléaire – la même réaction qui alimente notre Soleil et nos étoiles – à une échelle industrielle.
Pour ce faire, la plus grande chambre de confinement magnétique du monde, ou tokamak, est en construction dans le sud de la France pour générer de l’énergie nette.
L’accord sur le projet de réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) a été officiellement signé en 2006 par les États-Unis, l’UE, la Russie, la Chine, l’Inde et la Corée du Sud au Palais de l’Elysée à Paris.
Plus de 30 pays collaborent désormais aux efforts de construction du dispositif expérimental, qui devrait peser 23 000 tonnes et résister à des températures allant jusqu’à 150 millions de °C une fois terminé.
« D’une certaine manière, c’est comme un laboratoire national, un grand institut de recherche. Mais c’est en réalité la convergence des laboratoires nationaux de 35 pays », a déclaré Coblentz, responsable de la communication d’ITER, à L’Observatoire de l’Europe Next.
Comment fonctionne la fusion nucléaire ?
La fusion nucléaire est le processus par lequel deux noyaux atomiques légers fusionnent pour n’en former qu’un seul, plus lourd, générant une libération massive d’énergie.
Dans le cas du Soleil, les atomes d’hydrogène en son cœur sont fusionnés par la simple pression gravitationnelle.
Pendant ce temps, ici sur Terre, deux méthodes principales sont explorées pour générer la fusion.
« La première, vous l’avez peut-être entendue au National Ignition Facility aux États-Unis », a expliqué Coblentz.
« Vous prenez un très, très petit morceau – de la taille d’un grain de poivre – de deux formes d’hydrogène : le deutérium et le tritium. Et vous leur tirez dessus avec des lasers. Donc, vous faites la même chose. Vous écrasez également la pressurisation. « En ajoutant de la chaleur, vous obtenez une explosion d’énergie, E = mc². Une petite quantité de matière est convertie en énergie ».
Le projet d’ITER se concentre sur la deuxième voie possible : la fusion par confinement magnétique.
« Dans ce cas, nous avons une très grande chambre, 800 m³, et nous y mettons une toute petite quantité de combustible – 2 à 3 g de combustible, du deutérium et du tritium – et nous la faisons monter jusqu’à 150 millions de degrés grâce à divers systèmes de chauffage. « , a déclaré Laban.
« C’est la température à laquelle la vitesse de ces particules est si élevée qu’au lieu de se repousser avec leur charge positive, elles se combinent et fusionnent. Et lorsqu’elles fusionnent, elles dégagent une particule alpha et un neutron ».
Dans le tokamak, les particules chargées sont confinées par un champ magnétique, sauf les neutrons très énergétiques qui s’échappent et heurtent la paroi de la chambre, transfèrent leur chaleur et chauffent ainsi l’eau qui coule derrière la paroi.
Théoriquement, l’énergie serait captée par la vapeur résultante entraînant une turbine.
« C’est, si vous voulez, le successeur d’une longue lignée d’appareils de recherche », a expliqué Richard Pitts, chef de la division scientifique d’ITER.
« Ce domaine étudie la physique des tokamaks depuis environ 70 ans, depuis que les premières expériences ont été conçues et construites en Russie dans les années 40 et 50 », a-t-il ajouté.
Selon Pitts, les premiers tokamaks étaient de petits appareils de table.
« Puis, petit à petit, ils deviennent de plus en plus gros parce que nous savons – grâce à notre travail sur ces appareils plus petits, nos études de mise à l’échelle de plus en plus gros – que pour tirer une puissance de fusion nette de ces choses, nous il faut en faire un aussi grand que celui-ci », a-t-il déclaré.
Avantages de la fusion
Les centrales nucléaires existent depuis les années 1950 et exploitent une réaction de fission, par laquelle l’atome est divisé dans un réacteur, libérant ainsi une quantité massive d’énergie.
La fission présente l’avantage évident d’être déjà une méthode éprouvée et éprouvée, avec plus de 400 réacteurs à fission nucléaire en service aujourd’hui dans le monde.
Mais si les catastrophes nucléaires sont rares dans l’histoire, la fusion catastrophique du réacteur 4 de Tchernobyl en avril 1986 nous rappelle clairement qu’elles ne sont jamais totalement sans risque.
En outre, les réacteurs à fission doivent également gérer en toute sécurité de grandes quantités de déchets radioactifs, qui sont généralement enfouis profondément sous terre dans des dépôts géologiques.
En revanche, ITER note qu’une usine de fusion d’une échelle similaire produirait de l’électricité à partir d’une quantité beaucoup plus petite d’intrants chimiques, quelques grammes d’hydrogène seulement.
« Les effets sur la sécurité ne sont même pas comparables », a noté Coblentz.
« Vous n’avez que 2 à 3 g de matière. De plus, la matière d’une usine de fusion, le deutérium et le tritium, et la matière qui en sort, de l’hélium non radioactif et un neutron, sont toutes exploitées. Il n’y a donc pas de reste , pour ainsi dire, et l’inventaire de matières radioactives est extrêmement, extrêmement réduit », a-t-il ajouté.
Les revers du projet ITER
Le défi de la fusion, souligne Coblentz, est que ces réacteurs nucléaires restent extrêmement difficiles à construire.
« Vous essayez de prendre quelque chose jusqu’à 150 millions de degrés. Vous essayez de lui donner l’échelle nécessaire, etc. C’est juste une chose difficile à faire », a-t-il déclaré.
Certes, le projet ITER a eu du mal à faire face à la complexité de cette entreprise gargantuesque.
Le calendrier initial du projet ITER fixait 2025 comme date pour le premier plasma, la mise en service complète du système étant prévue pour 2035.
Mais les revers des composants et les retards liés au COVID-19 ont conduit à un changement du calendrier de mise en service du système et à un budget croissant pour y correspondre.
Le coût initial du projet était de 5 milliards d’euros, mais il s’est élevé à plus de 20 milliards d’euros.
« Nous avons déjà rencontré des défis simplement en raison de la complexité et de la multitude de matériaux et de composants uniques dans une machine unique », a expliqué Coblentz.
Un revers important concernait des désalignements des surfaces de soudage des segments de la chambre à vide fabriquée en Corée du Sud.
« Ceux qui sont arrivés sont arrivés avec suffisamment de non-conformités au niveau des bords là où vous les soudez ensemble pour que nous soyons obligés de refaire ces bords », a déclaré Coblentz.
« Ce n’est pas sorcier dans ce cas particulier. Ce n’est même pas de la physique nucléaire. Il s’agit simplement d’usiner et d’amener les choses à un degré de précision incroyable, ce qui a été difficile », a-t-il ajouté.
Coblentz indique que le projet est actuellement engagé dans un processus de reséquençage, dans l’espoir de se rapprocher le plus possible de l’objectif de 2035 pour le démarrage des opérations de fusion.
« Plutôt que de nous concentrer sur nos dates avant un premier plasma, un premier test de la machine en 2025, puis une série de quatre étapes pour arriver à la puissance de fusion dans un premier temps en 2035, nous allons simplement sauter le premier plasma. Nous allons assurez-vous que ces tests soient effectués d’une autre manière afin que nous puissions respecter autant que possible cette date », a-t-il déclaré.
Collaboration internationale
En ce qui concerne les collaborations internationales, ITER est en quelque sorte une licorne dans la manière dont il a résisté aux tensions géopolitiques opposées entre de nombreuses nations engagées dans le projet.
« Ces pays ne sont évidemment pas toujours alignés sur le plan idéologique. Si vous regardez les drapeaux présentés sur le chantier d’Alphabet, la Chine vole à côté de l’Europe, la Russie à côté des États-Unis », a noté Coblentz.
« Pour que ces pays s’engagent à travailler ensemble pendant 40 ans, il n’y avait aucune certitude. Il n’y aura jamais de certitude qu’il n’y aura pas de conflits ».
Coblentz attribue la santé relative du projet au fait que la mise en place et le fonctionnement de la fusion nucléaire sont un rêve commun et générationnel.
« C’est ce qui rassemble cette force. Et c’est pourquoi elle a survécu aux sanctions actuelles que l’Europe et d’autres imposent à la Russie dans la situation actuelle avec l’Ukraine », a-t-il ajouté.
Changement climatique et énergie propre
Compte tenu de l’ampleur du défi posé par le changement climatique, il n’est pas étonnant que les scientifiques se précipitent pour trouver une source d’énergie sans carbone pour alimenter notre monde.
Mais un approvisionnement abondant en énergie de fusion est encore loin, et même ITER admet que leur projet représente la réponse à long terme aux préoccupations énergétiques.
En réponse à l’idée selon laquelle la fusion arrivera trop tard pour lutter efficacement contre la crise climatique, Coblentz affirme que l’énergie de fusion pourrait avoir un rôle à jouer à l’avenir.
« Si le niveau de la mer s’élève réellement au point que nous commençons à avoir besoin de consommation d’énergie pour déplacer les villes ? Si nous commençons à voir des défis énergétiques à cette échelle, la réponse à votre question devient vraiment évidente », a-t-il déclaré.
« Plus nous attendons que la fusion arrive, plus nous en avons besoin. La solution intelligente consiste donc à l’amener ici le plus rapidement possible ».
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