«Nous avons dit que nous allions mettre le soleil dans une boîte. C’est une excellente idée. Mais le problème est que nous ne savons pas comment construire cette boîte» — Pierre Gilles de Genes, lauréat du prix Nobel de physique 1991.
Table des matières
L’histoire de la formation de la tâche
Alors que les éléments lourds nécessaires aux réactions nucléaires sur Terre et en général dans l’espace sont assez rares, les éléments légers nécessaires aux réactions de fusion sont très abondants sur Terre et dans l’espace. Par conséquent, l’idée d’utiliser l’énergie thermonucléaire au profit de l’humanité est apparue presque immédiatement avec la compréhension des processus qui la sous-tendent — elle promettait des possibilités véritablement illimitées, puisque les réserves de combustible thermonucléaire sur Terre devaient être suffisantes pour des dizaines de milliers d’années à venir.
Dès 1951, deux directions principales de développement des réacteurs de fusion sont apparues : Andrei Sakharov et Igor Tamm ont développé l’architecture du tokamak dans lequel la chambre de travail est un tore, tandis que Lyman Spitzer a proposé l’architecture d’un stellateur de conception plus complexe, dont la forme ressemble le plus à une feuille de Moebius inversée non pas une, mais plusieurs fois.
La simplicité de la conception fondamentale du tokamak a permis pendant longtemps de développer cette orientation en augmentant les caractéristiques des aimants conventionnels et supraconducteurs, ainsi qu’en augmentant progressivement la taille du réacteur. Mais au fur et à mesure que les paramètres du plasma augmentaient, des problèmes liés à son comportement instable sont apparus, ce qui a ralenti le processus.
La complexité de la conception du stellateur a fait qu’après les premières expériences dans les années 50, le développement de cette direction s’est arrêté pendant longtemps. Il a pris un nouveau souffle récemment avec l’apparition de systèmes modernes de conception assistée par ordinateur, qui ont permis de concevoir le stellateur Wendelstein 7-X avec les paramètres et la précision de conception nécessaires à son fonctionnement.
Physique du processus et problèmes de réalisation
Les atomes de fer ont l’énergie de liaison maximale par nucléon, c’est-à-dire la quantité d’énergie nécessaire pour diviser un atome en ses neutrons et protons constitutifs, divisée par leur nombre total. Tous les atomes de masse plus ou moins importante ont un indice inférieur à celui du fer :
Dans les réactions de fusion thermonucléaire d’atomes légers jusqu’au fer, de l’énergie est libérée et la masse de l’atome résultant devient légèrement inférieure à la somme des masses des atomes d’origine d’une quantité liée à l’énergie libérée par la formule E=mc² (ce que l’on appelle le défaut de masse). De la même manière, de l’énergie est libérée dans les réactions de fission nucléaire d’atomes plus lourds que le fer.
Les réactions de fusion atomique libèrent une énorme quantité d’énergie, mais pour extraire cette énergie, il faut d’abord faire un certain effort pour surmonter les forces de répulsion entre les noyaux atomiques chargés positivement (surmonter la barrière de Coulomb). Une fois que l’on a réussi à rapprocher une paire d’atomes à la distance requise, l’interaction nucléaire forte entre en jeu, qui lie les neutrons et les protons entre eux. Pour chaque type de combustible, la barrière de Coulomb pour initier une réaction est différente, de même que la température optimale de réaction :
En même temps, les premières réactions thermonucléaires des atomes commencent à être enregistrées bien avant que la température moyenne de la matière n’atteigne cette barrière, du fait que l’énergie cinétique des atomes est soumise à la distribution de Maxwell :
Mais les réactions à des températures relativement basses (de l’ordre de quelques millions de °C) sont extrêmement lentes. Supposons qu’au centre du Soleil la température atteigne 14 millions de °C, mais la puissance spécifique d’une réaction thermonucléaire dans ces conditions n’est que de 276,5 W/m³, et le Soleil a besoin de plusieurs milliards d’années pour consommer entièrement son combustible. De telles conditions sont inacceptables pour un réacteur de fusion, car à un niveau de libération d’énergie aussi faible, nous dépenserons inévitablement plus pour chauffer et comprimer le combustible de fusion que ce que nous obtiendrons en retour de la réaction.
À mesure que la température du combustible augmente, une fraction croissante d’atomes commence à avoir des énergies dépassant la barrière de Coulomb et l’efficacité de la réaction augmente, atteignant son maximum. Si la température augmente encore, le taux de réaction recommence à baisser car l’énergie cinétique des atomes devient trop importante et ils «sautent» l’un devant l’autre, incapables d’être retenus par l’interaction nucléaire forte.
Matériel sur le sujet
Ainsi, la solution pour obtenir de l’énergie à partir d’une réaction thermonucléaire contrôlée a été obtenue assez rapidement, mais la réalisation de cette tâche a été retardée d’un demi-siècle et n’a pas encore été achevée. La raison en est que le combustible thermonucléaire devait être placé dans des conditions véritablement insensées : pour obtenir un rendement positif de la réaction, sa température devait être de plusieurs dizaines de millions de degrés Celsius.
Une telle température ne pouvait physiquement résister à aucune paroi, mais ce problème a presque immédiatement trouvé sa solution : étant donné que la substance chauffée à de telles températures est un plasma chaud (gaz entièrement ionisé), qui est chargé positivement, la solution était en surface — il suffisait de placer un tel plasma chauffé dans un champ magnétique puissant, qui maintiendra le combustible de fusion à une distance sûre des parois.
Progrès vers la réalisation
La recherche sur ce sujet s’oriente dans plusieurs directions à la fois :
- En utilisant des aimants supraconducteurs, les scientifiques tentent de réduire l’énergie nécessaire pour déclencher et entretenir la réaction ;
- les nouvelles générations de supraconducteurs augmentent l’induction du champ magnétique à l’intérieur du réacteur pour maintenir le plasma à des densités et des températures plus élevées, ce qui augmente la puissance spécifique des réacteurs par unité de volume ;
- la recherche sur les plasmas chauds et les progrès de l’informatique permettent de mieux contrôler les flux de plasma, ce qui rapproche les réacteurs de fusion de leurs limites théoriques d’efficacité ;
- les progrès dans le domaine précédent permettent également de maintenir le plasma stable plus longtemps, ce qui augmente l’efficacité du réacteur en évitant de devoir réchauffer le plasma aussi souvent.
Malgré toutes les difficultés et tous les problèmes rencontrés sur la voie d’une réaction thermonucléaire contrôlée, cette histoire est déjà sur le point de s’achever. Dans le secteur de l’énergie, il est courant d’utiliser l’EROEI — le retour sur investissement énergétique — pour calculer l’efficacité des combustibles. Alors que l’EROEI du charbon continue d’augmenter, celui du pétrole et du gaz a atteint son maximum au milieu du siècle dernier et ne cesse de diminuer à mesure que de nouveaux gisements de ces combustibles sont découverts dans des endroits de plus en plus inaccessibles et à des profondeurs de plus en plus grandes :
Dans le même temps, nous ne pouvons pas non plus augmenter la production de charbon, car la production d’énergie à partir de ce combustible est un processus très sale qui tue littéralement les gens à l’heure actuelle en raison de diverses maladies pulmonaires. D’une manière ou d’une autre, nous sommes sur le point de mettre fin à l’ère des combustibles fossiles — et ce n’est pas l’œuvre des écologistes, mais de banals calculs économiques lorsqu’on se projette dans l’avenir. Dans le même temps, l’EROI des réacteurs thermonucléaires expérimentaux, apparus eux aussi au milieu du siècle dernier, n’a cessé de croître et a atteint en 2007 la barrière psychologique de un — c’est-à-dire que cette année, pour la première fois, l’humanité a pu obtenir par une réaction thermonucléaire plus d’énergie qu’elle n’en a dépensée pour la mettre en œuvre. Et même si la réalisation du réacteur ITER, les expérimentations et la production de la première centrale thermonucléaire de démonstration DEMO sur la base de l’expérience acquise lors de la mise en œuvre d’ITER prendront beaucoup de temps, il n’en reste pas moins qu’un tel réacteur ne peut pas être considéré comme une solution à long terme. Il ne fait aucun doute que de tels réacteurs sont notre avenir.
Critique de la recherche
La principale critique à l’égard de la recherche sur les réacteurs de fusion repose sur le fait que la recherche est extrêmement lente. C’est vrai : il a fallu 66 ans entre les premières expériences et la production d’une réaction de fusion au seuil de rentabilité. Mais le nœud du problème est que le financement de ces recherches n’a jamais atteint le niveau nécessaire. Voici un exemple des estimations de l’Administration américaine pour la recherche et le développement énergétiques concernant le niveau de financement d’un projet de réacteur à fusion et le temps nécessaire à son achèvement :
Comme vous pouvez le voir sur ce graphique, l’étonnant n’est pas que nous n’ayons pas encore de réacteurs de fusion commerciaux produisant de l’électricité, mais que nous ayons été capables jusqu’à présent d’obtenir un rendement énergétique positif avec des réacteurs expérimentaux.
Ce n’est que grâce à la coopération conjointe de tous les pays développés, représentés par l’Union européenne, la Russie, les États-Unis, la Chine, le Japon et l’Inde, que nous avons pu parrainer un projet comme ITER, qui devrait nous conduire à la centrale DEMO et à des centaines d’autres centrales à fusion qui remplaceront à l’avenir nos réserves décroissantes de combustibles fossiles facilement disponibles.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023