Se rapprocher de la maîtrise de la fusion nucléaire

D’une petite colline dans la région sud de la France, la Provence, vous pouvez voir deux soleils.

L’un flamboie depuis quatre milliards et demi d’années et se couche. L’autre est en train d’être construit par des milliers d’esprits et de mains humaines, et s’élève beaucoup plus lentement.

Le dernier des vrais rayons du soleil du soir jette une lueur magique sur l’autre – un énorme chantier de construction qui pourrait résoudre la plus grande crise existentielle de l’histoire humaine.

C’est ici, dans la minuscule commune de Saint-Paul-lez-Durance, que 35 pays se sont réunis pour tenter de maîtriser la fusion nucléaire, un processus qui se produit naturellement dans le soleil et toutes les étoiles, mais qui est douloureusement difficile à reproduire sur Terre. .

La fusion promet une forme d’énergie pratiquement illimitée qui, contrairement aux combustibles fossiles, n’émet aucun gaz à effet de serre et, contrairement à la fission nucléaire utilisée aujourd’hui, ne produit aucun déchet radioactif à longue durée de vie.

La maîtriser pourrait littéralement sauver l’humanité du changement climatique, une crise de notre propre fabrication.

Si elle est maîtrisée, l’énergie de fusion alimentera sans aucun doute une grande partie du monde. Un seul gramme de carburant en entrée peut créer l’équivalent de 7 200 kg (8 tonnes US) de pétrole en énergie de fusion. C’est un rendement étonnant de huit millions pour un.

Les experts atomiques aiment rarement estimer quand l’énergie de fusion peut être largement disponible, plaisantant souvent que, peu importe quand vous demandez, c’est toujours dans 30 ans.

Mais pour la première fois dans l’histoire, c’est peut-être vrai.

En février, des scientifiques du village anglais de Culham, près d’Oxford, ont annoncé une percée majeure : ils ont généré et maintenu un record de 59 mégajoules d’énergie de fusion pendant cinq secondes dans une machine géante en forme de beignet appelée tokamak.

C’était juste assez pour alimenter une maison pendant une journée, et plus d’énergie a été investie dans le processus qu’il n’en est sorti. Pourtant, ce fut un moment véritablement historique. Il a prouvé que la fusion nucléaire était en effet possible de maintenir sur Terre.

C’était une excellente nouvelle pour le projet en France, le réacteur thermonucléaire expérimental international, mieux connu sous le nom d’ITER. Son objectif principal est de prouver que la fusion peut être utilisée commercialement. Si tel est le cas, le monde n’aura plus besoin des combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz, principaux moteurs de la crise climatique d’origine humaine.

Il y a eu un énorme élan chez ITER depuis le succès au Royaume-Uni, mais les personnes travaillant sur le projet subissent également un changement majeur. Leur directeur général, Bernard Bigot, est décédé des suites d’une maladie le 14 mai après avoir dirigé ITER pendant sept ans.

Avant sa mort, Bigot partageait son optimisme contagieux pour l’énergie de fusion depuis son bureau ensoleillé, qui surplombait la coque du propre tokamak d’ITER, une structure de type science-fiction encore en construction.

« L’énergie, c’est la vie », a déclaré Bigot.

« Biologiquement, socialement, économiquement. »

Lorsque la Terre était peuplée de moins d’un milliard de personnes, il y avait suffisamment de sources renouvelables pour répondre à la demande, a déclaré Bigot.

« Plus maintenant. Pas depuis la révolution industrielle et l’explosion démographique qui a suivi. Nous avons donc adopté les combustibles fossiles et fait beaucoup de mal à notre environnement. Et nous voici maintenant, 8 milliards de personnes et au milieu d’une crise climatique drastique », il a dit.

« Il n’y a pas d’autre alternative que de nous sevrer de notre principale source d’alimentation actuelle », a-t-il déclaré.

« Et la meilleure option semble être celle que l’univers utilise depuis des milliards d’années. »

L’énergie de fusion est créée en forçant ensemble deux particules qui, par nature, se repoussent. Après l’injection d’une petite quantité de carburant dans le tokamak, des aimants géants sont activés pour créer un plasma, le quatrième état de la matière, qui est un peu comme un gaz ou une soupe chargé électriquement.

En élevant les températures à l’intérieur du tokamak à des niveaux insondables, les particules du combustible sont forcées de fusionner en une seule. Le processus crée de l’hélium et des neutrons, qui sont plus légers en masse que les pièces dont ils étaient faits à l’origine.

La masse manquante se convertit en une énorme quantité d’énergie. Les neutrons, capables de s’échapper du plasma, heurtent alors une « couverture » tapissant les parois du tokamak, et leur énergie cinétique se transfère sous forme de chaleur. Cette chaleur peut être utilisée pour réchauffer l’eau, créer de la vapeur et faire tourner des turbines pour produire de l’électricité.

Tout cela nécessite que le tokamak contienne une chaleur importante. Le plasma doit atteindre au moins 150 millions de degrés Celsius, 10 fois plus chaud que le cœur du soleil.

Cela soulève la question suivante : comment quelque chose sur Terre peut-il supporter des températures aussi élevées ?

C’est l’un des nombreux obstacles que des générations de chercheurs d’énergie de fusion ont réussi à surmonter. Les scientifiques et les ingénieurs ont conçu des aimants géants pour créer un champ magnétique puissant pour garder la chaleur en bouteille. Tout le reste fondrait simplement.

Ce que ceux qui travaillent sur la fusion ont essayé de faire à l’intérieur de leurs machines, c’est essentiellement de reproduire le soleil. Le soleil est une usine à fusion perpétuelle, constituée d’une gigantesque boule de plasma brûlante. Il fusionne plusieurs centaines de tonnes d’hydrogène en hélium chaque seconde.

Le plasma est la substance dont 99,9% de l’univers est composé, y compris les étoiles, notre soleil et toute la matière interstellaire. Ici sur Terre, par exemple, il est utilisé dans les téléviseurs et les néons, et nous pouvons le voir dans les éclairs et les aurores boréales.

Aussi impressionnant que cela puisse paraître, générer de l’énergie de fusion en soi n’est pas la partie la plus difficile, ont déclaré plusieurs experts d’ITER.

L’humanité a réussi la réaction de fusion nucléaire depuis l’invention de la bombe H, après tout. Le principal défi est de le maintenir. Le tokamak au Royaume-Uni, appelé Joint European Torus, ou JET, a conservé l’énergie de fusion pendant cinq secondes, mais c’est tout simplement la plus longue durée de vie de cette machine. Ses aimants étaient en cuivre et ont été construits dans les années 1970. Plus de cinq secondes sous une telle chaleur les ferait fondre.

ITER utilise des aimants plus récents qui peuvent durer beaucoup plus longtemps, et le projet vise à produire un rendement énergétique multiplié par 10, générant 500 mégawatts à partir d’une entrée de 50 mégawatts.

Mais l’objectif d’ITER n’est pas d’utiliser réellement l’énergie pour produire de l’électricité, mais de prouver qu’il peut maintenir l’énergie de fusion beaucoup plus longtemps que JET n’a pu le faire. Le succès ici signifiera que des machines à l’échelle commerciale pourront commencer à générer de la fusion à l’avenir.

Alors que le soleil fusionne des atomes d’hydrogène pour créer de l’hélium, le projet JET a utilisé deux isotopes de l’hydrogène appelés deutérium et tritium, qu’ITER utilisera également. Ces isotopes se comportent presque de la même manière que l’hydrogène, en termes de composition chimique et de réactions.

Le deutérium et le tritium se trouvent dans la nature. Le deutérium est abondant dans l’eau douce et salée – le deutérium de seulement 500 ml d’eau, avec un peu de tritium, pourrait alimenter une maison pendant un an. Le tritium est rare, mais il peut être produit synthétiquement.

Actuellement, il n’en existe que 20 kg dans le monde et la demande ne dépasse pas 400 g par an. Mais à un rendement de huit millions pour un, seules de petites quantités des deux éléments sont nécessaires pour générer beaucoup d’énergie de fusion.

Le tritium est une substance exceptionnellement chère : un seul gramme vaut actuellement environ 30 000 $. Si la fusion nucléaire devait décoller, la demande exploserait, présentant aux maîtres mondiaux de la fusion un nouveau défi.

Un projet de 10 millions de pièces

De loin, ITER ressemble à un projet prêt à démarrer. De près, il est clair que c’est encore loin.

La construction sur 39 chantiers est incroyablement complexe. Le chantier principal est un environnement nettement stérile, où d’énormes composants sont mis en place à l’aide de grues de 680 tonnes (750 tonnes US). Les ouvriers ont déjà assemblé la coque du tokamak, mais ils attendent encore certaines pièces, dont un aimant géant russe qui trônera au sommet de la machine.

Les dimensions sont hallucinantes. Le tokamak pèsera finalement 20 865 tonnes (23 000 tonnes US). C’est le poids combiné de trois tours Eiffel. Il comprendra un million de composants, se différenciant en pas moins de 10 millions de pièces plus petites.

Ce puissant mastodonte sera entouré de certains des plus grands aimants jamais créés. Leur taille vertigineuse – certains d’entre eux ont des diamètres allant jusqu’à 24 mètres – les rend trop volumineux pour être transportés et doivent être assemblés sur place dans un hall géant.

Compte tenu du grand nombre de pièces impliquées, il n’y a tout simplement pas de place pour l’erreur.

Même la conception numérique de cette énorme machine repose sur des fichiers informatiques 3D qui occupent plus de deux téraoctets d’espace disque. C’est la même quantité d’espace sur laquelle vous pourriez économiser plus de 160 millions de documents Word d’une page.

L’ampleur et l’ambition du projet ITER peuvent sembler énormes, mais c’est, à tout le moins, une réponse proportionnelle au gâchis que les humains ont fait de la planète. Depuis 1973, la consommation mondiale d’énergie a plus que doublé. D’ici la fin du siècle, il pourrait en fait tripler.

Soixante-dix pour cent de toutes les émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère sont créées par la consommation d’énergie des humains. Et 80 % de toute l’énergie que nous consommons provient de combustibles fossiles.

Aujourd’hui, la Terre se dirige vers des niveaux de réchauffement qui se traduisent par des vagues de chaleur plus fréquentes et mortelles, des sécheresses provoquant la famine, des incendies de forêt, des inondations et une élévation du niveau de la mer. Les impacts de la crise climatique deviennent de plus en plus difficiles à inverser à mesure que des écosystèmes entiers atteignent des points de basculement et que de plus en plus de vies humaines sont mises en jeu.

Le monde se démène maintenant pour se décarboner rapidement et accélérer sa transition des combustibles fossiles qui cuisent la planète vers les énergies renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne et hydraulique. Certains pays misent sur l’énergie de fission nucléaire, qui est peu carbonée mais qui s’accompagne d’un risque de catastrophe faible mais non négligeable, de problèmes de stockage des déchets radioactifs et d’un coût élevé.

Mais il y a de sérieuses questions quant à savoir si le monde peut effectuer cette transition verte assez rapidement pour éviter un changement climatique catastrophique.

C’est là que la fusion pourrait être un héros de la onzième heure, si le monde la maîtrise à temps.

Lorsque le regretté physicien Stephen Hawking a été interrogé par Time en 2010 sur la découverte scientifique qu’il aimerait voir de son vivant, il a indiqué exactement ce processus.

« J’aimerais que la fusion nucléaire devienne une source d’énergie pratique », a-t-il déclaré.

« Il fournirait une source inépuisable d’énergie, sans pollution ni réchauffement climatique. »