La technologie de fusion va changer la donne dans l’énergie nucléaire
Au moins, 2022 restera dans les mémoires pour la percée capitale dans le domaine de l’énergie de fusion nucléaire 88 ans après que le scientifique italien Enrico Fermi a réalisé la fission nucléaire.
Huit ans seulement après la découverte de Fermi, le premier réacteur nucléaire avait été testé avec succès à l’Université de Chicago aux États-Unis. Il faut attendre et voir dans combien de temps nous pourrons avoir un réacteur nucléaire fonctionnant à l’énergie de fusion.
La technologie de fusion devrait changer complètement la donne dans le domaine de l’énergie nucléaire, en fournissant un carburant bon marché, propre et illimité pour tous nos besoins énergétiques. Non seulement le combustible est abondant et peu coûteux, mais il y a aussi des déchets radioactifs de très faible activité.
Des scientifiques travaillent dans différents pays, dont l’Inde, depuis plusieurs décennies pour réussir la fusion. Le problème, c’est qu’ils ont dû investir énormément d’énergie pour récupérer un peu.
Vers la fin de 2022, il a été rapporté que des scientifiques américains avaient fait une percée historique et obtenu plus d’énergie qu’ils n’en avaient utilisé pour lancer le processus de fusion, faisant de la fusion nucléaire une source d’énergie viable à l’avenir.
L’installation de fusion du Lawrence Livermore National Laboratory a ciblé 192 lasers sur une capsule sphérique miniature créant des températures plusieurs fois plus chaudes que le centre du soleil avec des niveaux d’énergie élevés pour initier une réaction de fusion. Il a produit environ 2,5 mégajoules d’énergie en utilisant les 1,1 mJ d’énergie des lasers pour lancer le processus, ce qui représente un gain d’énergie net d’environ 120 %. Ainsi, rendre l’énergie de fusion commercialement viable.
Mais qu’est-ce que l’énergie de fusion ?
Comprendre quelques-uns des concepts de base peut nous éclairer sur cette technologie.
Le monde matériel solide palpable est composé de particules extrêmement minuscules d’atomes, de molécules et de particules subatomiques. De plus, ce que nous considérons comme la masse d’une particule n’est rien de plus que de l’énergie concentrée. Dans les technologies de fission et de fusion, nous voulons exploiter cette source d’énergie.
La théorie de la relativité restreinte d’Einstein dit qu’il y a équivalence de masse et d’énergie dans la célèbre formule E = MC2 qui signifie que la masse peut être convertie en énergie et vice-versa. Cependant, une petite quantité de masse convertie en énergie peut libérer d’énormes quantités d’énergie car le « C » équivaut à la vitesse de la lumière – 1,86 lakh miles par seconde, C2 est de 34,59,60,00,000 miles par seconde.
Ainsi, la quantité d’énergie en masse est énorme – si nous convertissons 20 grammes de masse en énergie, l’énergie libérée peut être équivalente à celle de l’explosion d’une bombe à hydrogène de cinq lakh-tonnes.
Le problème est que nous ne pouvons pas facilement convertir la masse en énergie.
Au cours d’expériences sur des particules subatomiques, des scientifiques ont observé une particule s’annihiler complètement en énergie (ondes électromagnétiques) après être entrée en collision avec son antiparticule. Ils ont également remarqué une collision au niveau subatomique de particules se déplaçant à grande vitesse donnant naissance à une troisième particule qui n’était pas là auparavant, démontrant que l’énergie se transforme également en masse.
Dans la fission nucléaire, la méthode habituelle par laquelle nous obtenons de l’énergie nucléaire, les atomes sont divisés pour libérer de l’énergie, les réacteurs consomment des matières radioactives et finissent par les convertir en énergie électrique.
La fusion nucléaire est un type de réaction nucléaire où deux noyaux légers entrent en collision pour former un seul noyau. La fusion entraîne une libération d’énergie car la masse du nouveau noyau est inférieure à la somme des masses d’origine. La masse supplémentaire se transforme en énergie.
Bien que la fusion de petits atomes dégage beaucoup d’énergie, l’initiation de ce processus nécessite une quantité importante d’énergie pour surmonter la répulsion entre les protons.
Il existe différents types de réactions de fusion, mais la plupart impliquent deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium.
Ce type de réaction de fusion a lieu au soleil. Deux paires de protons (deux paires d’atomes d’hydrogène) entrent en collision et deviennent deux atomes de deutérium. Chaque deutérium se combine ensuite à nouveau avec un proton (hydrogène) pour former de l’hélium-3, qui se combine à nouveau et finit par former de l’hélium-4.
A chaque étape, un neutron est également formé et la majeure partie de l’énergie libérée est sous forme de neutron de haute énergie.
Par conséquent, l’énergie du soleil sort par des atomes d’hydrogène (sous la gravité du soleil avec une pression et une température élevées) fusionnant en hélium, qui a moins de masse que l’hydrogène, et la masse supplémentaire étant convertie en énergie, qui est libérée au taux équivalent à des milliards et des milliards de centrales nucléaires. C’est par la fusion que l’énergie nucléaire est générée dans chaque étoile.
Chaque seconde, le noyau du soleil perd 600 millions de tonnes d’hydrogène, gagnant 596 millions de tonnes d’hélium. Quatre millions de tonnes d’hydrogène sont converties en 3,8 x 10^26 joules d’énergie. C’est l’énergie du soleil qui est utilisée par chaque animal et plante sur terre pour toutes nos activités.
Avec la technologie de fusion, le carburant ne sera plus un problème car le deutérium peut être extrait à peu de frais de l’eau de mer. Le tritium peut être fabriqué à partir de lithium, qui est également abondant dans la nature. Selon les scientifiques, il y a suffisamment de deutérium dans les océans pour répondre aux besoins énergétiques humains pendant des millions d’années.
Pendant longtemps, les chercheurs ont essayé d’exploiter la fusion comme une forme d’énergie nucléaire plus propre et de la reproduire sur terre de manière contrôlée avec un processus où ils génèrent plus d’énergie qu’ils n’en consomment.
L’énergie nucléaire par fission fournit aujourd’hui environ 10 % de l’électricité mondiale à partir d’environ 440 réacteurs de puissance. Le nucléaire est la deuxième source d’énergie à faible émission de carbone au monde (28 % du total en 2019). Des centrales nucléaires sont opérationnelles dans 32 pays. L’Inde possède 22 réacteurs nucléaires opérationnels, avec une capacité nette combinée de près de 7 000 MW d’énergie électrique.
Construire une centrale à fusion est un défi car le deutérium et le tritium doivent être chauffés à environ 100 millions de degrés centigrades. A cette température, un plasma de gaz entièrement ionisé se forme. Le plasma est ensuite allumé pour créer la fusion.
Actuellement, les scientifiques étudient deux méthodes pour réaliser la fusion nucléaire : le confinement inertiel et le confinement magnétique. Dans les systèmes de confinement inertiel, les faisceaux laser sont utilisés pour comprimer les pastilles de combustible deutérium-tritium à des densités extrêmement élevées. Lorsqu’un point critique est atteint, la pastille est enflammée par chauffage. La chaleur qui en résulte est ensuite utilisée pour générer de la vapeur qui alimente des turbines génératrices d’électricité.
Dans les systèmes de confinement magnétique, des électro-aimants sont utilisés pour contenir le combustible plasma. Le dispositif tokamak (un appareil toroïdal pour produire des réactions de fusion contrôlées dans un plasma chaud) contient le plasma dans une chambre en forme de beignet. Un puissant courant électrique, des micro-ondes, des ondes radio ou des particules accélérées sont envoyés dans le plasma pour atteindre des températures élevées de plusieurs centaines de millions de degrés centigrades.
Il faut se rendre compte que c’est la forte gravité du soleil qui fait fusionner les atomes d’hydrogène à 15 millions de degrés centigrades. Sur Terre, il faut des températures aussi élevées que 150 millions de degrés Celsius pour faire fusionner les atomes d’hydrogène. À 150 millions de degrés centigrades, les atomes d’hydrogène forment un « gaz électriquement chargé » appelé plasma, une autre forme de matière.
Le plus grand réacteur de fusion nucléaire au monde, ITER, d’un coût de 18,2 milliards de dollars, a commencé son développement dans le sud de la France et devrait fonctionner d’ici 2025 à l’échelle commerciale. ITER (le mot latin pour « The Way ») est une expérience scientifique à grande échelle destinée à prouver la viabilité de la fusion en tant que source d’énergie. Il s’agit d’un effort international avec sept partenaires – la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis – qui ont mis en commun leurs ressources financières et scientifiques pour construire le plus grand réacteur à fusion de l’histoire. Elle entend produire 500 MW de puissance de fusion à partir de 50 MW de puissance investie pour chauffer le plasma et générer la fusion.
Il existe des centres de recherche sur la fusion financés par le gouvernement dans 26 pays, dont l’Inde, les États-Unis, le Royaume-Uni, l’Allemagne, la Chine, la Corée et le Japon.
La fusion nucléaire à grande échelle étant susceptible d’être là dans seulement 15 ans, les entreprises privées d’énergie de fusion ont également commencé à injecter de l’argent dans le secteur.
QU’EST-CE QUE LA FUSION NUCLÉAIRE ?
La fusion nucléaire est un type de réaction nucléaire où deux noyaux légers entrent en collision pour former un seul noyau. La fusion entraîne une libération d’énergie car la masse du nouveau noyau est inférieure à la somme des masses d’origine. La masse supplémentaire se transforme en énergie.
POURQUOI C’EST IMPORTANT?
* Les déchets produits par la fusion nucléaire sont beaucoup moins radioactifs que ceux produits par la fission nucléaire et ils se désintègrent beaucoup plus rapidement
* La fusion se fait principalement à l’aide d’hydrogène, qui est abondant et peut être extrait à moindre coût de l’eau de mer ou du lithium
* Il ne génère pas de gaz à effet de serre dangereux pour l’environnement
QUAND PEUT-IL ÊTRE PASSÉ À L’ÉCHELLE ?
Ce n’est pas de si tôt que la fusion alimentera nos maisons et nos usines. Certains experts disent que dans environ 20 ans, cela commencerait à donner des rendements significatifs.