Dans la première partie de cette série en deux parties sur la fusion nucléaire, nous plongeons dans les fondamentaux : Qu’est-ce exactement que la fusion nucléaire, et quels sont ses principaux défis techniques ?
On peut dire que la fusion nucléaire alimente la Terre. Le soleil, un immense réacteur de fusion hydrogène-hydrogène situé à seulement 150 millions de kilomètres, fournit de l’énergie convertie en électricité grâce aux panneaux solaires photovoltaïques. Il chauffe l’atmosphère, entraînant ainsi les éoliennes par le vent. Les plantes l’utilisent même à travers la photosynthèse pour capturer le carbone de l’atmosphère—carbone qui devient des combustibles fossiles après quelques millions d’années sous la surface de la Terre.
Le processus de fusion qui alimente le soleil semble relativement simple. Sous une pression immense à des millions de degrés de température, deux atomes d’hydrogène sont fusionnés pour créer un atome d’hélium. Mais l’atome d’hélium pèse légèrement moins que les deux atomes d’hydrogène, et la masse supplémentaire est convertie en énergie, comme le décrit la fameuse formule E=MC2 d’Einstein.
Le soleil utilise la fusion nucléaire pour créer de l’énergie. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Mais que se passerait-il si, au lieu d’utiliser l’énergie que nous fournit la fusion nucléaire du soleil, nous pouvions dupliquer le processus ici sur Terre pour créer une autre source d’énergie ? Dans la première partie de cette série en deux parties, nous examinerons la fusion nucléaire et détaillerons certains des défis auxquels les scientifiques et les ingénieurs travaillent dans ce domaine. Dans la deuxième partie, nous mettrons en lumière certaines des dernières avancées et passerons en revue les idées qui font l’actualité dans le monde de la fusion nucléaire.
Énergie nucléaire : fission ou fusion ?
Environ 20 % de l’électricité provient déjà de réacteurs nucléaires à fission. Ceux-ci fonctionnent en scindant des atomes d’uranium ou de plutonium avec des neutrons pour obtenir de l’énergie, mais le processus produit des déchets nucléaires hautement radioactifs qu’il faut gérer. Ils ont également un dossier de sécurité quelque peu décevant, comme l’illustrent les incidents défavorables survenus à des endroits comme Tchernobyl en Union soviétique en 1986 et Fukushima au Japon en 2011.
La promesse de la fusion nucléaire existe depuis plus de soixante-dix ans, mais comme souvent, c’est le diable qui se cache dans les détails, et dans ce cas, les défis que ces détails présentent sont formidables. Rappelons les conditions au sein du soleil qui favorisent les réactions nucléaires hydrogène-hydrogène, qui incluent à la fois une pression immense et des températures extrêmement élevées. Les atomes d’hydrogène existent sous forme de plasma dans de telles conditions, et contenir un tel plasma ici sur Terre, même pendant quelques secondes, s’est avéré extrêmement difficile. Tant d’énergie est nécessaire pour dupliquer les conditions trouvées dans le soleil ici sur Terre, mais ce n’est que l’année dernière qu’une réaction de fusion a été produite avec au moins autant ou plus d’énergie que celle utilisée pour provoquer la réaction. Cela s’appelle l’équilibre (breakeven).
Utiliser le bon carburant d’hydrogène
Alimenter un réacteur de fusion terrestre n’est également pas facile. Bien que l’eau couvre plus de 70 % de notre planète, et l’eau est composée d’hydrogène et d’oxygène, diviser l’hydrogène—généralement réalisé par électrolyse—nécessite une grande quantité d’énergie. Il se trouve également que H2 simple n’est pas la forme d’hydrogène qui est la meilleure pour créer la réaction de fusion hydrogène-hélium.
L’hydrogène atomique consiste en un proton et un électron. L’isotope deutérium contient un proton et un électron mais ajoute un neutron. Le deutérium est assez courant, représentant environ 1 atome d’hydrogène sur 5 000 dans l’eau de mer.
L’isotope tritium de l’hydrogène a un proton, un électron et deux neutrons. Il est radioactif, a une demi-vie de 12,3 ans et se produit naturellement haut dans l’atmosphère, où il est formé en quantités infimes lorsque les rayons cosmiques interagissent avec les gaz atmosphériques. Le tritium peut également être créé artificiellement en irradiant du métal de lithium dans un réacteur nucléaire.
Isotopes de l’hydrogène. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Wikimedia Commons
Une idée est de créer une couverture génératrice de tritium à partir de lithium à l’intérieur du réacteur de fusion. Lorsqu’un tritium et un deutérium subissent une réaction de fusion, ils produisent un noyau d’hélium avec deux protons et deux neutrons. Il libère également une grande quantité d’énergie avec un neutron énergique. L’énergie produite peut être utilisée pour convertir l’eau en vapeur pour créer de l’électricité avec une turbine et un générateur. La réaction de fusion se produit à des températures plus basses que d’autres éléments, et ils devraient libérer plus d’énergie lors de la réaction de fusion, ce qui fait du deutérium et du tritium le carburant de choix pour la fusion nucléaire.
Les détails de la fusion nucléaire
Jusqu’ici, tout va bien, mais encore une fois, les détails sont gênants. Le tritium est extrêmement rare et est la quatrième substance la plus précieuse sur Terre, coûtant actuellement environ 30 000 $ par gramme. Cela rend difficile pour les chercheurs de l’obtenir et de l’utiliser en quantités raisonnables.
La fusion nucléaire nécessite des pressions et des températures extrêmement élevées. Le plasma d’hydrogène doit être chauffé à des températures environ six fois plus chaudes que le cœur du soleil. Un confinement magnétique utilisant des supraconducteurs doit maintenir le plasma d’hydrogène suffisamment longtemps pour que la fusion se produise. Les chercheurs savent comment le faire à une échelle extrêmement petite, mais créer un réacteur de fusion de taille réelle présentera des défis pour les scientifiques des matériaux.
L’installation de fusion nucléaire de l’expérience de torus sphérique national-amélioré. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Lawrence Berkeley National Laboratory
Jusqu’à présent, l’industrie privée a réalisé la majorité des recherches sur la fusion, financées par des subventions gouvernementales. Le gouvernement des États-Unis s’est fixé pour objectif de créer une installation de fusion nucléaire commerciale dans les 10 prochaines années. L’année dernière, le département de l’Énergie a fourni 46 millions de dollars à huit entreprises de fusion pour les aider à développer des concepts pour des versions pilotes de centrales de fusion nucléaire. L’administration actuelle a proposé des augmentations importantes du programme des sciences de l’énergie de fusion de l’Office of Science.
Avancer dans la fusion nucléaire
Malgré ses défis, la fusion nucléaire a récemment connu une augmentation des financements, des recherches et de l’intérêt public. Dans la deuxième partie de cette série, nous examinerons les dernières nouvelles et tendances et évaluerons comment elles pourraient prédire l’avenir de la fusion.