La feuille de route de la centrale électrique à fusion américaine devient plus claire – en quelque sorte | Science

Par Adrian Cho19 février 2021 à 17h00

Les projets de construction d’un prototype de centrale électrique à fusion aux États-Unis sont devenus plus ciblés, alors qu’un nouveau rapport présente un calendrier approximatif pour la construction de l’usine à plusieurs dollars et une stratégie pour développer sa conception. Les États-Unis devraient s’efforcer de commencer la construction du pilote d’ici 2035 et de le faire fonctionner d’ici 2040, selon un rapport publié cette semaine par les Académies nationales des sciences, de l’ingénierie et de la médecine (NASEM). Pour respecter ce calendrier serré, le rapport demande au Département américain de l’énergie (DOE) d’aider à financer deux à quatre équipes qui, en collaboration avec le secteur privé, développeraient d’ici 2028 des conceptions conceptuelles différentes.

«C’est crédible et faisable», déclare William Madia, vice-président émérite de l’Université de Stanford, qui a souvent critiqué les efforts de fusion du DOE. Cependant, Edwin Lyman, directeur de la sûreté de l’énergie nucléaire à l’Union of Concerned Scientists, note que le rapport met également en évidence de nombreuses technologies clés qui sont dans un faible état de préparation technique et se demande si elles peuvent être développées à temps. «En lisant entre les lignes, je ne pensais pas que cela vous donnait beaucoup confiance dans le fait que ces horaires sont réalistes», déclare Lyman.

Le calendrier proposé par le rapport de 91 pages, publié le 17 février, ne reflète pas une évaluation ascendante du temps qu’il faudrait pour achever la R&D pour une conception particulière. Il présente plutôt une évaluation descendante du moment où l’énergie de fusion doit être réalisable si les services publics veulent l’inclure alors qu’ils se tournent vers des sources d’énergie sans carbone d’ici 2050. «Le calendrier a vraiment été déterminé à partir des contributions des services publics», déclare Brian Wirth , ingénieur nucléaire à l’Université du Tennessee, Knoxville, et l’un des 12 auteurs du rapport. Madia prédit que si la fusion ne s’est pas montrée réalisable d’ici 2035, elle «va rater le train» et être exclue du futur mix énergétique décarboné.

L’enthousiasme grandit parmi les chercheurs américains sur la fusion pour construire un prototype de centrale électrique qui exploiterait enfin la fusion nucléaire, le processus qui alimente le Soleil, pour produire de l’électricité. L’idée a émergé en 2018 dans un autre rapport du NASEM qui suggérait aux États-Unis de respecter leur engagement envers ITER, la gigantesque expérience de fusion internationale en cours de construction en France, mais également de se préparer à construire une usine pilote nationale peu de temps après. En décembre 2020, les chercheurs américains de la fusion ont intégré l’usine pilote dans leur nouveau plan à long terme.

En utilisant des champs magnétiques intenses, ITER piégera un plasma de deutérium et de tritium – les isotopes lourds de l’hydrogène – dans une chambre à vide en forme de beignet et chauffé à 150 millions de degrés Celsius. L’expérience vise à montrer que la fusion des noyaux de deutérium et de tritium peut produire plus d’énergie que la génération du plasma n’en consomme. L’usine pilote irait plus loin et produirait des quantités utiles d’électricité.

Les partisans de la proposition affirment que la construction d’une usine pilote permettrait aux chercheurs américains de dépasser les concurrents en Europe et en Asie et de reprendre la tête de la recherche sur la fusion. De plus, disent-ils, en raison des progrès récents des aimants fabriqués à partir de supraconducteurs à haute température, de l’impression 3D et de la modélisation informatique, l’usine pourrait être beaucoup plus petite et moins chère que ITER, qui mesure 30 mètres de haut et coûtera plus de 20 dollars. milliard.

L’usine pilote ne serait pas extrêmement puissante. Le nouveau rapport envisage de produire à peine 50 mégawatts d’électricité, soit quelques pour cent de ce qu’une grande centrale au gaz peut générer. C’est juste assez pour voir comment une telle centrale interagirait avec le réseau électrique, explique David Roop, ingénieur chez DWR Associates LLC et auteur du nouveau rapport. «Cette valeur d’au moins 50 mégawatts vous permet de tester votre capacité à transférer l’électricité sur le réseau», dit-il. L’usine pilote ne devrait pas coûter plus de 5 ou 6 milliards de dollars, selon le rapport, soit le montant qu’il estime que les services publics seraient prêts à payer pour la première centrale commerciale à suivre, qui produirait des centaines de mégawatts d’électricité.

Avant de pouvoir construire une usine pilote, plusieurs grands défis technologiques doivent être surmontés, indique le rapport. Par exemple, si l’usine fonctionne comme ITER et fusionne le deutérium et le tritium (il y a quelques autres possibilités), les chercheurs doivent également développer un moyen de produire plus de tritium dans une «couverture» de matériau spécialement conçue autour du réacteur. Sinon, la centrale pourrait rapidement consommer la totalité de l’approvisionnement mondial en tritium, qui provient uniquement de certains réacteurs nucléaires. Si la couverture contient du lithium, les neutrons diviseront certains de ces noyaux pour former plus de tritium. Mais le tritium est une substance radioactive hautement réglementée et difficile à manipuler, et Lyman se demande si un tel système fermé peut être développé d’ici 2035.

Le débat sur la chronologie reflète les tensions liées à l’avènement de nouvelles sociétés de fusion privées, qui s’associeraient vraisemblablement au DOE pour développer les idées qu’elles ont déjà. Certaines startups ont suscité l’intérêt des milliardaires de la haute technologie. Par exemple, Bill Gates soutient Commonwealth Fusion Systems, dont les idées se concentrent sur l’utilisation de bobines magnétiques composées de supraconducteurs à haute température, et Jeff Bezos soutient General Fusion, qui utilise des pompes mécaniques pour presser et chauffer un plasma. Un tel investissement privé est l’une des principales raisons pour lesquelles Madia dit qu’il est optimiste sur l’usine pilote. «Lorsque des gars comme Bill Gates et Jeff Bezos s’impliquent, ils font des choses intéressantes», dit-il.

Mais les startups de la fusion promettent plus qu’elles ne peuvent offrir, soutient Lyman. Il craint que les investisseurs familiers avec l’économie de haute technologie, dans laquelle l’échec n’est peut-être pas fatal, puissent adopter la même attitude à haut risque envers la recherche énergétique à forte intensité de capital, qui est beaucoup moins indulgente. «Ils pensent qu’ils peuvent simplement avoir une idée et s’enrichir sans l’avoir concrétisée», dit Lyman. Développer un réacteur à fusion «n’est pas quelque chose que vous pouvez faire dans votre garage, vous devez donc faire attention à cet état d’esprit.» Lyman avertit également que les startups de la fusion demandent à la Commission de réglementation nucléaire d’assouplir les exigences de sécurité d’une manière qui, selon lui, n’est pas justifiée.

Pourtant, l’appel du rapport à former des équipes public-privé pour étoffer les différents concepts d’une usine pilote serait très bénéfique, déclare Steven Cowley, directeur du Princeton Plasma Physics Laboratory, le laboratoire de fusion du DOE. «Les États-Unis doivent avoir leur propre version de la conception d’un réacteur à fusion pour voir de quoi il s’agit et à quel point nous sommes proches», a déclaré Cowley. «Je pense que cela a une valeur énorme.»