La fusion nucléaire se rapproche de la réalité grâce aux progrès réalisés dans plusieurs technologies contributrices.
Alimenter le réseau électrique grâce à la fusion nucléaire—la même énergie qui alimente le soleil—pose de nombreux défis techniques. Des milliards de dollars ont déjà été dépensés dans la quête de l’énergie de fusion, et des milliards de plus seront nécessaires avant que la fusion nucléaire n’atteigne un point où elle pourrait devenir commercialement viable.
Cependant, la technologie de fusion avance régulièrement, étape par étape. Voici un récapitulatif des derniers développements.
Laboratoire de tritium de l’Institut de technologie de Karlsruhe. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’Institut de technologie de Karlsruhe
Fusion Nucléaire
La fusion nucléaire combine deux isotopes d’hydrogène, le deutérium et le tritium, dans un plasma chaud (environ 100 millions de degrés Celsius) à l’intérieur d’un récipient sous vide pour produire un atome d’hélium, des protons à haute énergie, et de l’énergie. L’énergie produite est prodigieuse par rapport au carburant requis. Pour comprendre, prenons l’exemple d’une centrale à charbon de 1 000 MW, qui nécessite environ 2,7 millions de tonnes de charbon chaque année et produit d’énormes émissions de dioxyde de carbone. Pour générer les mêmes 1 000 MW, une centrale de fusion nucléaire fonctionnant avec des isotopes d’hydrogène n’aurait besoin que d’environ 250 kilogrammes (kg) ou environ 550 livres de carburant par an.
Un problème majeur consiste à contenir le plasma à 100 millions de degrés tout en extrayant de l’énergie du réacteur pour générer de la vapeur destinée aux générateurs électriques. Une des façons de contenir le plasma est de le faire dans un champ magnétique puissant. Cependant, maintenir un plasma stable longtemps assez longtemps pour que la réaction de fusion se produise s’est avéré difficile.
Tritium
L’isotope d’hydrogène deutérium est relativement commun—environ 1 sur chaque 6 500 atomes d’hydrogène dans l’eau de mer est du deutérium. En revanche, l’isotope d’hydrogène radioactif tritium est presque inconnu car il se désintègre rapidement après s’être formé naturellement dans la haute atmosphère terrestre. Il est possible de produire du tritium supplémentaire lors de la réaction de fusion nucléaire en permettant aux neutrons à haute énergie formés pendant la fusion d’interagir avec le lithium entourant la réaction plasma dans une couverture.
L’Institut de Physique des Astroparticules gère le Laboratoire de Tritium de Karlsruhe (TLK) en tant qu’installation de traitement du tritium. Le TLK dispose d’une licence pour manipuler jusqu’à 40 grammes de tritium et conserve un inventaire sur site d’environ 30 grammes. D’autres installations de traitement du tritium existent au Canada, aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Japon.
Processus de récupération du tritium dans le laboratoire. Image utilisée avec l’aimable autorisation de TLK
Neutrons à Haute Énergie
La fusion nucléaire crée des neutrons avec une énergie beaucoup plus élevée que la fission nucléaire. Cette énergie supérieure les rend beaucoup plus cinétiques, et par conséquent, ils peuvent interagir avec la structure atomique du métal utilisé pour fabriquer le récipient sous vide. Cette interaction crée des atomes d’hélium qui se déplacent et s’accumulent aux défauts des frontières de grains dans la structure métallique du récipient. Les ions d’hélium se repoussent mutuellement, créant des fissures dans la structure métallique. Ces fissures peuvent compromettre la solidité et l’utilisabilité du récipient du réacteur en moins de six mois.
Des chercheurs du MIT ont raisonné qu’ils pourraient fournir d’autres zones dans le matériau du récipient réacteur qui attireraient les atomes d’hélium vers un emplacement où ils ne causeraient pas de dommages. Après avoir examiné plus de 50 000 possibilités, l’équipe du MIT s’est orientée vers un matériau céramique appelé silicate de fer qui était mécaniquement robuste, compatible avec le matériau du réacteur, et résistant à la radioactivité.
Matériau composite pour réacteurs à fusion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de MIT
Pour prouver le concept, l’équipe a dispersé des particules de silicate de fer à l’échelle nanométrique dans un échantillon de récipient de fer et a implanté des ions d’hélium dans la structure. À l’aide de la diffraction des rayons X, ils ont constaté que l’hélium était réparti dans tout le matériau plutôt que collecté aux frontières des grains du matériau du réacteur. Ajouter 1 % de silicate de fer au matériau du récipient en fer a réduit la taille et la distribution des atomes d’hélium de 20 %. Ce développement pourrait permettre à un récipient de réacteur à fusion nucléaire de durer jusqu’à une décennie.
Protection au Bore
Un autre matériau largement utilisé pour les récipients de réacteurs à fusion est le tungstène. Le point de fusion du tungstène, 3 422 °C (6 192 °F), est l’un des plus élevés de tous les éléments. Cela lui permet de résister aux températures extrêmes à l’intérieur des réacteurs à fusion. Le tungstène présente une faible propension à l’érosion et une bonne résistance à la radiation lorsqu’il est exposé au plasma à haute énergie à l’intérieur des réacteurs à fusion. Comparé à d’autres matériaux comme le carbone, le tungstène a une tendance plus faible à absorber et à retenir le tritium, ce qui aide à minimiser la contamination radioactive.
Système de revêtement au bore. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Oak Ridge National Laboratory
Même à des températures élevées, le tungstène conserve une bonne résistance mécanique et une stabilité, ce qui est crucial pour les composants structurels dans l’environnement difficile de la fusion. Cependant, le tungstène pur peut être fragile, donc les chercheurs développent des alliages et des composites pour améliorer la ductilité et d’autres propriétés tout en maintenant les caractéristiques bénéfiques du tungstène pour les applications de fusion. Des recherches en cours visent à optimiser les matériaux à base de tungstène pour mieux résister aux conditions extrêmes dans les réacteurs à fusion et améliorer leur performance globale.
Un problème avec le tungstène est que les atomes présents sur les parois du réacteur peuvent se détacher et entrer dans le plasma, le refroidissant et réduisant le niveau des réactions de fusion. Désormais, des chercheurs du Laboratoire de Physique des Plasmas de Princeton (PPPL) ont développé un moyen de revêtir la surface du tungstène avec une poudre de bore, formant une couche de protection qui empêche les atomes de tungstène de s’échapper dans le plasma. Selon le PPPL, la poudre de bore montre déjà des promesses dans les réacteurs à fusion en Chine, en Allemagne et aux États-Unis, et peut être utilisée même après que le réacteur soit opérationnel.
Création du Plasma
Initier la réaction de fusion des isotopes d’hydrogène est généralement accompli en utilisant des lasers puissants concentrés sur une petite pastille de carburant à hydrogène. Les lasers chauffent et compressent les pastilles jusqu’à ce que la réaction de fusion s’initie. Cela nécessite un haut degré de précision.
Photonics21, une association technologique européenne à but non lucratif, étudie la photonique, la science de la génération et de l’exploitation de la lumière. La photonique est essentielle au développement des composants de haute précision nécessaires pour les réacteurs à fusion.
Le groupe a découvert qu’au-delà des lasers haute puissance nécessaires pour initier les réactions de fusion dans un plasma, d’autres technologies photoniques comme le LiDAR, divers capteurs optiques et l’imagerie de haute précision seront cruciales pour surveiller et contrôler les conditions extrêmes à l’intérieur des centrales à fusion.
Contrôle du Plasma
Le contrôle du plasma qui crée la fusion nucléaire représente un défi majeur. Des électroaimants puissants sont utilisés pour contenir le plasma à des températures extrêmement élevées. Les supraconducteurs à haute température sont essentiels dans la construction des électroaimants. Les supraconducteurs actuellement utilisés souffrent de pertes d’énergie dues aux champs magnétiques pulsés, d’un manque de robustesse thermique et d’un coût très élevé.
Ruban supraconducteur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de SUBRA
Une entreprise danoise, SUBRA, a lancé un ruban supraconducteur filamenteux qui peut être produit à grande échelle, de manière rentable. La technologie utilise des revêtements céramiques supraconducteurs haute performance placés en bandes parallèles sur un ruban métallique. Ces revêtements ne mesurent que trois micromètres d’épaisseur et quelques centaines de micromètres de large. Malgré leur petite taille, ils peuvent transporter 300 fois le courant d’un fil de cuivre équivalent sans pertes d’énergie.
La société suédoise Novatron a franchi une nouvelle étape vers un confinement stable du plasma. L’entreprise utilise la technologie des miroirs tandem axisymétriques (ATM), qui utilise deux grands aimants pour piéger le plasma, le faisant rebondir d’un à l’autre. L’ATM peut produire de fortes pressions de plasma avec des champs magnétiques relativement faibles ; cependant, la technologie souffre d’instabilité et de faibles temps de confinement.
Novatron développe un design d’ATM qui incorpore des cuspides biconiques. Cela crée un champ magnétique convexe de l’intérieur et concave de l’extérieur. Cette structure de champ unique devrait permettre un très bon confinement tout en maintenant une stabilité inhérente. Les calculs suggèrent une amélioration potentielle de 100 fois du temps de confinement de l’énergie par rapport aux machines à miroir magnétiques traditionnelles.
Collaboration Internationale
La fusion nucléaire a été bien trop difficile et complexe pour qu’une seule nation puisse s’en occuper seule. Dans ce but, le Réacteur Expérimental Thermonucléaire International (ITER) est en construction dans le sud de la France. Cet effort collaboratif implique 35 nations, y compris les États-Unis, la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et l’Union Européenne. Utilisant les isotopes d’hydrogène deutérium et tritium, ITER emploie de puissants champs magnétiques pour confiner et chauffer le plasma créé par la réaction de fusion et devrait produire 500 MW de puissance de fusion à partir de 50 MW de puissance d’entrée. La construction d’ITER a commencé en 2013, et ses premiers essais de plasma sont attendus en décembre 2025, avec une pleine operation prévue pour 2039.