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Après le décès récent du directeur du programme ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), le projet poursuit ses efforts pour lancer le tout premier réacteur à fusion. De nombreuses approches pour démarrer le processus de fusion ont été envisagées, notamment la création et le maintien d’un plasma extrêmement chaud aussi longtemps que possible à l’aide d’un tokamak (ou chambre à vide). Quand commencera ce type de production d’énergie à l’échelle industrielle ? Qu’est-ce qui t’empêche de démarrer ?

Les réacteurs nucléaires modernes produisent de l’énergie par la réaction de fission d’atomes lourds. Selon l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), la fission nucléaire est la projection d’un neutron sur un atome lourd instable (uranium-235 ou plutonium-239), qui absorbe le neutron et se scinde en deux atomes plus légers. Cela conduit à la production d’énergie, de rayonnement radioactif et de deux ou trois neutrons, qui à leur tour peuvent provoquer une fission, etc. par des réactions en chaîne.

La fusion nucléaire permet de produire de l’énergie de manière opposée en fusionnant deux atomes d’hydrogène (deutérium et tritium). Lorsque leurs noyaux légers fusionnent, le noyau nouvellement créé est dans un état instable et, pour revenir à un état plus stable, éjecte un atome d’hélium de haute énergie et un neutron. Cela se produit à des températures de plusieurs millions de degrés, par exemple à l’intérieur des étoiles, y compris le Soleil.

© IRSN

Ce type de production d’énergie présente de nombreux avantages. Une fois la technologie opérationnelle, elle utilisera un approvisionnement presque illimité de matières premières dérivées de l’eau ou de la réaction de fusion elle-même. Il est également extrêmement efficace, car il libère théoriquement (pour une masse égale) quatre fois l’énergie de la fission, et près de quatre millions de fois l’énergie d’une simple réaction chimique, comme la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz. La fusion nucléaire est également beaucoup plus sûre pour notre santé et a moins d’impact sur l’environnement. En effet, il n’émettra pas de gaz à effet de serre puisque l’hélium produit est un gaz inerte non toxique. Les déchets radioactifs de haute activité à vie longue, dont la gestion est actuellement problématique, ne seront pas produits.

Plus de 50 ans de perfectionnement de tokamaks

L’idée d’exploiter l’énergie de la fusion nucléaire n’est pas nouvelle. Dans les années 1960, des chercheurs russes sont parvenus à atteindre des températures et des temps de confinement du plasma (les deux paramètres principaux de la fusion) qui n’étaient pas possibles auparavant. « Le plasma est le quatrième état de la matière : lorsque vous chauffez un élément solide, il devient liquide ; s’il est davantage chauffé, il devient gazeux ; et si on le chauffe encore plus, il devient un plasma », explique Didier Perrault, expert de l’institut chargé d’animer la vingtaine d’experts mobilisés pour évaluer la sûreté de l’installation du réacteur de fusion ITER.

La machine, appelée « tokamak », est une structure contenant des électroaimants pour contenir du plasma super chaud. Le principal problème de cette technologie est précisément que le plasma doit être contenu et contrôlé par des champs magnétiques puissants afin de maintenir une réaction de fusion stable et utilisable.

Vue éclatée du futur tokamak ITER © ITER Organization

Depuis, le tokamak est devenu le concept dominant parmi les chercheurs travaillant sur le projet, le nombre de machines a augmenté dans de nombreux pays et les installations se sont améliorées. Ainsi, en une cinquantaine d’années, la productivité des plasmas produits par les usines de fusion a été multipliée par 10 000, et il ne reste plus qu’à multiplier leur productivité par 10 pour obtenir un réacteur capable de produire de l’énergie en continu.

En 1985, le projet ITER est lancé dans le sud de la France dont l’objectif est d’obtenir une puissance de 500 MW contre les 50 MW consommés. Bien que les travaux aient débuté en 2010, la mise en service du premier réacteur de fusion ITER prend du temps, et les étapes nécessaires sont constamment repoussées.

Les startups font la course pour développer la fusion

Cependant, les progrès technologiques ne sont pas un inconvénient pour espérer utiliser au plus vite ce type de réaction nucléaire. L’année dernière, une équipe du MIT a déclaré avoir développé un nouvel électroaimant capable de fournir une puissance sans précédent. En effet, la principale difficulté de la fusion nucléaire réside dans le confinement du plasma du réacteur à l’aide d’électroaimants, qui peut être limité par la puissance et la durée des réactions. Selon des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, les récentes avancées dans le domaine de l’aimant présenté permettront à une mini-centrale à fusion (à très haute température) de voir le jour pour la première fois en 2025. une immense usine fonctionnant à des températures plus basses.

De leur côté, il y a moins d’un an, les chercheurs d’ITER recevaient la première partie d’un aimant massif qui deviendra l’élément central du réacteur. Appelé « solénoïde central », l’aimant est conçu pour résister à des pressions et des températures extrêmes. Il génère un champ magnétique environ 280 000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. « Chaque fois qu’un composant majeur est terminé, comme le premier module de solénoïde central, nous devenons plus confiants dans notre capacité à mener à bien le développement complexe de l’ensemble de la machine », a déclaré Laban Koblenz, porte-parole d’ITER.

En décembre 2021, la réaction de fusion a même approché le seuil d’inflammation, atteint qui permettrait au réacteur de devenir autonome sans l’apport d’énergie nécessaire. En concurrence directe avec ITER, de nombreuses start-up s’engagent sur la voie de la fusion commerciale, utilisant parfois des approches innovantes. Par exemple, une société s’est intéressée à un projectile thermonucléaire dont le but est de lancer un projectile à très grande vitesse contre une cible contenant du combustible thermonucléaire pour produire de l’énergie. La technique est en cours d’amélioration, car l’énergie générée n’est toujours pas suffisante pour initier la réaction. L’entreprise souhaite également s’associer aux producteurs d’électricité existants pour développer une centrale pilote qui devrait voir le jour dans les années 2030.

Limites à dépasser après quinze ans

Qu’est-ce qui empêche réellement le lancement du tout premier réacteur thermonucléaire ? Bien que la réaction ne nécessite qu’une petite quantité de tritium, gardez à l’esprit que l’atome n’existe pas dans la nature et se désintègre rapidement. Produit à partir de lithium, il doit être produit au sein même du réacteur par réaction avec des neutrons.

De plus, les déchets de tritium peuvent créer des problèmes de pollution. Dans le cas d’ITER, leur poids total serait d’un peu moins de 500 tonnes, et il faudrait les stocker sur site jusqu’à ce qu’ils soient inoffensifs (pourtant, la demi-vie du tritium n’est que de 12 ans). Actuellement, l’un des objectifs de la recherche est de réduire cette quantité de tritium dans les déchets. Ils devraient être chauffés à des températures très élevées ou créer des barrières à l’entrée qui empêcheraient le tritium de contaminer l’eau des systèmes de refroidissement. Les déchets devraient commencer à s’accumuler dès 2035 et il est important d’apprendre à les gérer.

Compte tenu de ces éléments, les centrales à fusion sont très prometteuses et beaucoup plus rentables que les centrales nucléaires. Même si de nombreuses améliorations sont encore nécessaires pour parvenir à une fusion à l’échelle industrielle, une solution est envisageable dans quelques décennies. Quant à ITER, les scientifiques affirment que le réacteur est désormais prêt à 75 %, et le premier plasma d’hydrogène permettant son fonctionnement normal (initialement prévu en 2025) est prévu pour 2027. Il atteindra sa pleine capacité en 2035 au mieux, mais sans certitude. qu’il deviendra énergétiquement viable. Quant aux premiers réacteurs prévus à usage industriel, plus rentables que le nucléaire, certains experts s’accordent à dire qu’ils devront être réalisés au moins à l’horizon 2035-2040.