Science

La fusion thermonucléaire contrôlée

Quand on par­le d’énergie nucléaire, il s’agit presque tou­jours de la pro­duc­tion d’électricité dans des réac­teurs nucléaires grâce à la fis­sion par les neu­trons des gros noy­aux d’uranium assem­blés dans leur cœur. Mais il est une autre forme d’énergie nucléaire qui en est, en quelque sorte, l’inverse : la pro­duc­tion d’énergie vient de la « fusion » de noy­aux très petits, des iso­topes de l’hydrogène. C’est ana­logue aux réac­tions qui pro­duisent l’énergie des étoiles, depuis leur for­ma­tion. Cette deux­ième forme d’énergie nucléaire n’est pas encore maîtrisée et les dif­fi­cultés de nature physique et tech­nique encore à résoudre sont con­sid­érables, mais son poten­tiel est énorme. Qu’il s’agisse, comme actuelle­ment et pour le siè­cle qui s’ouvre, de fis­sion­ner des noy­aux lourds ou, à échéance plus loin­taine, de fusion­ner des noy­aux légers, les pos­si­bil­ités offertes par le nucléaire sont vastes. Quelles que soient les tech­niques util­isées, les proces­sus mis en œuvre ont un point com­mun : ils requièrent peu de matière et peu d’espace pour pro­duire beau­coup d’énergie, sans ajouter à l’effet de serre. Pour répon­dre à la crise énergé­tique et cli­ma­tique qu’il faut affron­ter sans atten­dre, ces pro­priétés sont des atouts ines­timables. À nous de les exploiter intel­ligem­ment pour que le nucléaire apporte au développe­ment de la planète la plus utile des contributions.

Général­ités : fis­sion et fusion

La masse d’un noy­au est (de peu) inférieure à la somme des mass­es des pro­tons et des neu­trons qui le con­stituent. Depuis la fameuse équa­tion d’Albert Ein­stein E = mc², on sait que ce petit défaut de masse cor­re­spond à une grande énergie, qu’on appelle énergie de liai­son. Inverse­ment, l’énergie de liai­son est la quan­tité d’énergie qu’il faut dépenser pour sépar­er un noy­au au repos en ses con­sti­tu­ants, au repos égale­ment. Si on divise cette énergie par le nom­bre total de nucléons (pro­tons et neu­trons), on a une mesure de la solid­ité de l’assemblage : plus ce nom­bre est élevé, plus le noy­au est solide. La courbe ci-après (page 64) représente cette quan­tité en fonc­tion du nom­bre de nucléons (autrement dit, de la masse atom­ique). On y voit que le noy­au du fer est le plus solide de tous.

Dans la par­tie droite de la courbe, on voit la fis­sion : la somme des mass­es de l’uranium 235 et du neu­tron qu’il va absorber est inférieure à la somme des mass­es des deux pro­duits de fis­sion ici représen­tés (Kryp­ton 94 et Baryum 139) et de celles des trois neu­trons émis. Par con­séquent, puisque le sys­tème a per­du un peu de masse (à peine un cinquième de la masse d’un pro­ton…), il a relâché une grande quan­tité d’énergie (1), en l’occurrence 200 mil­lions d’électronvolts (eV).

Par com­para­i­son, la réac­tion chim­ique bien con­nue C+O2 → CO2 libère à peine 5 eV. La fis­sion d’un gramme d’uranium pro­duit plus d’énergie que la com­bus­tion d’une tonne de pétrole.

Regar­dons main­tenant la par­tie de la courbe à gauche du fer. De même qu’en fis­sion­nant un noy­au lourd en deux noy­aux plus légers, on libère l’énergie qui cor­re­spond au défaut de masse, en fusion­nant deux noy­aux légers pour con­stituer un noy­au plus lourd, on libér­era égale­ment beau­coup d’énergie. Si la fis­sion est – rel­a­tive­ment – facile, parce que le neu­tron n’a pas de charge élec­trique, la fusion l’est beau­coup moins, car les noy­aux légers ont tous les deux une charge élec­trique de même signe : ils résis­tent donc vigoureuse­ment aux ten­ta­tives de les rapprocher…

La fis­sion a été décou­verte en 1938, année où le physi­cien Hans Bethe a con­staté que l’énergie du Soleil et des autres étoiles prove­nait de réac­tions de fusion, qui trans­mu­taient l’hydrogène en héli­um, puis l’hélium en car­bone, etc. Les étoiles sont gigan­tesques et la grav­ité qui règne en leur cen­tre est si forte qu’elle sur­passe la répul­sion élec­tro­sta­tique (la bar­rière coulom­bi­enne, dit-on par­fois), per­me­t­tant à la fusion de se produire.

Dans les étoiles, la fusion se passe en deux étapes : d’abord, deux pro­tons fusion­nent en un noy­au de deutéri­um en émet­tant un « posi­ton », par­tic­ule ana­logue à l’électron, mais chargée pos­i­tive­ment. Puis, deux noy­aux de deutéri­um se fondent en un noy­au d’hélium. La pre­mière réac­tion est très, très lente à se pro­duire… et tant mieux ! C’est pour cela que le Soleil « brûle » douce­ment sa réserve d’hydrogène et qu’on peut espér­er le voir briller qua­tre ou cinq mil­liards d’années de plus. Mais elle est si lente qu’il est sans espoir de vouloir la repro­duire sur Terre.

La seule réac­tion de fusion qui sem­ble à notre portée met en jeu deux iso­topes de l’hydrogène, le deutéri­um (D) dont le noy­au est com­posé d’un pro­ton et d’un neu­tron et le tri­tium (T) qui a un neu­tron de plus : quand un noy­au de deutéri­um et un noy­au de tri­tium fusion­nent, ils pro­duisent un noy­au d’hélium et un neu­tron, en dégageant une énergie de 17,4 MeV.

Le deutéri­um se trou­ve en très faible pro­por­tion dans l’hydrogène naturel : il suf­fit de le sépar­er. Le tri­tium, lui, est radioac­t­if : il se dés­in­tè­gre avec une péri­ode de seule­ment douze ans. On ne le trou­ve donc plus dans la nature. Il faut le fab­ri­quer en faisant absorber un neu­tron par l’isotope de masse 6 du lithi­um (qu’il faut donc égale­ment sépar­er de son frère de masse 7). Il est donc impor­tant de ne pas per­dre le neu­tron de la réac­tion de fusion : on en aura besoin pour refab­ri­quer du tritium !

Mal­heureuse­ment, l’essentiel de l’énergie pro­duite, 14 MeV, est emportée par le neu­tron et dif­fi­cile à récupér­er, et un neu­tron de 14 MeV pro­duit beau­coup de dom­mages dans les matéri­aux solides.

La grav­ité ter­restre est bien trop faible pour forcer les noy­aux D et T à se rap­procher suff­isam­ment pour fusion­ner. Il faut donc trou­ver une autre solu­tion. Le pre­mier moyen décou­vert pour réalis­er la fusion nucléaire sur Terre a été de com­primer un mélange (D‑T) par la pres­sion gigan­tesque des ray­on­nements d’une explo­sion nucléaire « clas­sique » : c’est la bombe H, ou ther­monu­cléaire, réal­isée fin 1952 par les États-Unis et dès l’année suiv­ante par l’URSS. Ce procédé est ter­ri­ble­ment effi­cace pour réalis­er des explo­sions mon­strueuses, mais il est un peu trop bru­tal pour envis­ager d’en tir­er une source d’énergie con­tin­ue et sta­ble ! Cela fait plus d’un demi-siè­cle qu’on s’acharne à en trou­ver un autre…

La fusion par con­fine­ment mag­né­tique (FCM)

La voie la plus promet­teuse est celle du con­fine­ment mag­né­tique. Si on porte un gaz à très, très haute tem­péra­ture, les élec­trons se désol­i­darisent des noy­aux qui devi­en­nent des ions, et l’ensemble devient un plas­ma, qui est le qua­trième état de la matière (après solide, liq­uide et gaz). Si on porte un mélange de deutéri­um et de tri­tium à une tem­péra­ture de 100 mil­lions de degrés, les ions D et T acquièrent de telles vitesses qu’ils finis­sent par ne plus pou­voir s’éviter et entrent en fusion.

Cent mil­lions de degrés, c’est énorme. On com­prend qu’il ne peut y avoir aucun con­tact entre un plas­ma aus­si chaud et n’importe quelle paroi matérielle : celle-ci se volatilis­erait instan­ta­né­ment et le plas­ma se refroidi­rait bru­tale­ment, arrê­tant toute réac­tion de fusion. Il a donc fal­lu inven­ter des machines qui per­me­t­tent de « con­tenir » le plas­ma en lévi­ta­tion par une com­bi­nai­son de champs mag­né­tiques et élec­triques. Le toka­mak a ain­si été inven­té dans les années 1960 par l’équipe de Lev Art­si­movitch en URSS.

Le plas­ma de très faible den­sité – 100 000 fois plus faible que la den­sité de l’air à pres­sion et tem­péra­ture nor­males – et très haute tem­péra­ture est con­finé à l’intérieur d’une cham­bre à vide de forme torique. Ce plas­ma est con­duc­teur et con­stitue le cir­cuit sec­ondaire d’un gros trans­for­ma­teur : on y induit un courant élec­trique de très forte inten­sité qui le chauffe par effet Joule. La com­bi­nai­son de ce champ élec­trique « pul­sé » et des champs mag­né­tiques créés par deux familles d’électroaimants (bobines « poloï­dales » et bobines « toroï­dales » sur le sché­ma ci-con­tre) qui entourent la cham­bre forme une bouteille mag­né­tique qui force les par­tic­ules du plas­ma à rester con­finées sans touch­er les parois. Comme cet effet n’est pas suff­isant, il faut injecter dans le plas­ma de grandes quan­tités d’énergie par des moyens de chauffage aux­il­i­aires (antennes de radiofréquences, injec­tion d’atomes neutres).

Les meilleures per­for­mances mon­di­ales sont détenues depuis 1997 par le toka­mak européen Joint Euro­pean Torus (JET), situé près d’Oxford, qui a pro­duit 16 MW (ther­miques) de fusion D‑T pen­dant env­i­ron une sec­onde, alors qu’on lui injec­tait une puis­sance de chauffage de 24 MW. Le record de durée de con­fine­ment du plas­ma appar­tient au plus petit toka­mak Tore-Supra, situé à Cadarache, dont les bobines mag­né­tiques sont supra­con­duc­tri­ces, refroi­dies à l’hélium liq­uide : ce record est légère­ment supérieur à six minutes.

Il y a plusieurs autres con­fig­u­ra­tions pos­si­bles pour réalis­er le con­fine­ment mag­né­tique, notam­ment le stel­lara­tor qui n’utilise que des champs mag­né­tiques, sans courant élec­trique dans le plas­ma, et n’est donc pas « pul­sé », mais il néces­site la réal­i­sa­tion de bobines mag­né­tiques de formes extrême­ment com­pliquées (ci-con­tre, une des bobines du Stel­lara­tor « Wen­del­stein 7‑X »).

ITER, et au-delà…

Alors que les phénomènes qui se déroulent dans le cœur d’un réac­teur à fis­sion sont presque tous linéaires, ce qui per­met une extrap­o­la­tion en taille facile (sur le papi­er), le phénomène de fusion est haute­ment non linéaire, notam­ment à cause des insta­bil­ités qui se dévelop­pent dans le plas­ma pen­dant son con­fine­ment. On ne peut donc faire la démon­stra­tion de la fais­abil­ité d’un futur réac­teur que dans une instal­la­tion où le plas­ma a déjà un vol­ume ana­logue. C’est pourquoi, aujourd’hui même, on con­stru­it à Cadarache, dans une coopéra­tion car­ré­ment mon­di­ale, le plus gros des toka­maks, appelé ITER (Inter­na­tion­al Ther­monu­clear Exper­i­men­tal Reactor).

La con­struc­tion d’ITER a été décidée en 1985 au Som­met de Genève. Le site de Cadarache a été choisi en 2005. La machine devrait être opéra­tionnelle en 2020 et on espère qu’ITER pour­ra tester son pre­mier plas­ma D‑T vers 2027. Ce sera alors, pour la fusion con­trôlée, un peu l’équivalent de ce que fut pour la fis­sion la diver­gence du réac­teur CP1 d’Enrico Fer­mi, en décem­bre 1942. ITER devrait être capa­ble de pro­duire 500 MW de puis­sance de fusion pen­dant au moins dix min­utes, avec seule­ment 50 MW de puis­sance de chauffage injec­tée : on voit le saut énorme en per­for­mances par rap­port au JET.

Le coût du pro­gramme ITER est répar­ti entre les sept parte­naires de l’Organisation inter­na­tionale ITER : l’Union européenne (plus la Suisse, au titre de sa par­tic­i­pa­tion à Euratom), la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie et les États-Unis, soit 35 nations. Sur la base des esti­ma­tions effec­tuées, le coût du pro­jet a été estimé à 12,8 mil­liards d’euros (con­di­tions économiques 2008) pour les douze années de la phase de con­struc­tion de la machine.

Les coûts liés à l’exploitation sont estimés à 5,3 mil­liards d’euros (con­di­tions économiques 2000) sur env­i­ron vingt ans, à 280 mil­lions d’euros (con­di­tions économiques 2000) pour la péri­ode de ces­sa­tion défini­tive d’exploitation, et à 530 mil­lions d’euros (con­di­tions économiques 2000) qui seront pro­vi­sion­nés durant la phase d’exploitation par les parte­naires inter­na­tionaux pour le démantèlement.

ITER doit démon­tr­er la capac­ité à main­tenir le plas­ma con­finé sur de très longues durées (maîtrise des insta­bil­ités et des phénomènes de tur­bu­lences sus­cep­ti­bles de se pro­duire dans des champs mag­né­tiques très intens­es), à con­fin­er ce plas­ma tout en extrayant l’hélium, résidu de la réac­tion, réal­i­men­tant le plas­ma en tri­tium pro­duit par cap­ture de neu­trons dans la « cou­ver­ture » au lithi­um. Bien sûr, il a fal­lu maîtris­er la con­struc­tion des com­posants de grande taille, et dévelop­per la robo­t­ique pour rem­plac­er les com­posants très irradiés. Tout cela, dans une organ­i­sa­tion inter­na­tionale très (trop ?) complexe.

Par ailleurs, ITER sera le pre­mier toka­mak qui fera l’objet d’une procé­dure com­plète d’autorisation par l’Autorité de sûreté française, à l’instar d’une cen­trale nucléaire, ce qui con­duit notam­ment à pren­dre en compte les dis­po­si­tions d’assurance de la qual­ité de niveau nucléaire pour toutes les fab­ri­ca­tions de com­posants qui jouent un rôle sur le plan de la sûreté.

Mais ITER ne sera pas un réac­teur au sens habituel du terme : au cours des vingt ans où l’on étudiera son fonc­tion­nement, il con­som­mera beau­coup plus d’énergie qu’il n’en pro­duira. De plus, s’il doit prou­ver la fais­abil­ité physique de con­trôler un plas­ma D‑T de grande taille, il n’apportera pas la démon­stra­tion tech­nologique, sans évidem­ment par­ler d’évaluation économique.

En effet, une fois la physique démon­trée, les défis tech­nologiques res­teront énormes : ingénierie d’ensemble, car la con­fig­u­ra­tion fer­mée d’un toka­mak cein­turé par toutes ses bobines se prête mal à la struc­tura­tion de tous les cir­cuits néces­saires à la pro­duc­tion d’électricité en con­tinu dans un réac­teur indus­triel, et, surtout, mise au point de matéri­aux capa­bles de résis­ter le plus longtemps pos­si­ble aux ray­on­nements ther­mique et neu­tron­ique beau­coup plus intens­es que ceux que l’on trou­ve dans un réac­teur à fis­sion, sans pro­duire de trop grandes quan­tités de déchets radioactifs.

C’est pourquoi il est prévu, après ITER, de pass­er à la con­cep­tion et à la réal­i­sa­tion d’un pre­mier vrai réac­teur DEMO, qui pour­rait être suivi d’un ou plusieurs pro­to­types, menant plus tard à une série, si les con­di­tions de com­péti­tiv­ité économique le permettent.

La fusion par con­fine­ment iner­tiel (FCI)

Si l’avis général des spé­cial­istes est que la FCM est la voie la plus promet­teuse pour par­venir à la pro­duc­tion d’électricité par fusion, les études sur pour­suiv­ent sur une voie diamé­trale­ment opposée, la fusion par con­fine­ment iner­tiel, directe­ment dérivée de la bombe H.

Alors qu’un plas­ma de FCM est d’une den­sité si faible qu’elle s’apparente à un vide de bonne qual­ité, la FCI con­siste à com­primer énor­mé­ment un mélange D‑T jusqu’à attein­dre une den­sité env­i­ron 1 000 fois supérieure à celle d’un solide, tou­jours à 100 mil­lions de degrés, mais avec un temps de con­fine­ment de l’ordre du mil­liardième de seconde…

Pour ce faire, on fait con­verg­er sur une petite cible sphérique rem­plie du mélange D‑T les fais­ceaux de 200 lasers de très forte puis­sance : l’enveloppe de la cible se volatilise, ce qui provoque une implo­sion qui com­prime le mélange jusqu’aux con­di­tions où la fusion se pro­duit. Deux très grandes instal­la­tions sont con­sacrées à la FCI : la NIF (Nation­al Igni­tion Facil­i­ty) à Liv­er­more (Cal­i­fornie) et le LMJ (laser méga­joule), en fin de con­struc­tion près de Bor­deaux. Les cibles font quelques mil­limètres de diamètre, et la cham­bre où se déroule l’implosion en fait dix mètres !

Les études de FCI ont pour but prin­ci­pal le calage expéri­men­tal des codes qui ser­vent à con­cevoir les arme­ments ther­monu­cléaires, depuis l’arrêt des tests en vraie grandeur. Cer­tains con­sid­èrent cepen­dant que la FCI pour­rait aus­si per­me­t­tre un jour la pro­duc­tion d’électricité. Aujourd’hui, il fau­dra sans doute au moins une semaine après un « tir » pour recon­stituer dans le bâti­ment expéri­men­tal les con­di­tions d’un tir suiv­ant. Pour la pro­duc­tion d’énergie, il faudrait prob­a­ble­ment pou­voir réalis­er un tir par seconde…

Avan­tages, incon­vénients et perspectives

Quand la fusion sera une réal­ité indus­trielle, elle offrira beau­coup d’avantages :

• sûreté intrin­sèque : la fusion n’est pas une réac­tion en chaîne qui pour­rait « diverg­er », et il y a très peu de matière fusible dans la machine (quelques milligrammes) ;

• cycle du com­bustible inté­gré : on fab­rique le tri­tium sur place, et il n’y a pas de trans­port de combustible ;

• les « cen­dres » de la fusion (l’hélium) sont inoffensives ;

• les ressources de lithi­um sont très abon­dantes, et celles de deutéri­um presque illimitées ;

• si les matéri­aux de struc­ture sont bien choi­sis, pas de déchet radioac­t­if de longue durée de vie. 

Mais les prob­lèmes sont encore considérables :

• un réac­teur à fusion sera encore beau­coup plus com­plexe qu’un réac­teur nucléaire actuel ;

• il y a un effet de seuil (le vol­ume de plas­ma pour la FCM ou l’énergie de l’implosion pour la FCI) : impos­si­ble de con­cevoir un réac­teur à fusion de taille petite ou moyenne ;

• les matéri­aux et l’architecture sont encore à inventer ;

• il y aura de grandes quan­tités de déchets radioac­t­ifs – de cour­tes durées de vie si on trou­ve les matéri­aux adéquats – à cause de l’activation des struc­tures par les neutrons ;

• il est impos­si­ble de prévoir aujourd’hui quel sera le coût de pro­duc­tion de l’électricité par fusion nucléaire.

Autant dire que l’enjeu est d’importance, mais que la route est encore longue avant que la fusion puisse con­tribuer à l’approvisionnement du monde en énergie.

Illus­tra­tion : le Soleil, sous dif­férentes longueurs d’onde. La fusion nucléaire con­stitue le mécan­isme à l’origine du ray­on­nement des étoiles et en par­ti­c­uli­er du Soleil (© DR)

À propos de l'auteur

Bertrand Barré

Bertrand Barré

Professeur à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires (INSTN) et président de l'International Nuclear Societies Council (INSC), ancien président de la Société française d'énergie nucléaire (SFEN)) et de l'European Nuclear Society, membre du conseil de l'American Nuclear Society, vice-président du conseil scientifique et technique Communauté européenne de l'énergie atomique et ancien président du Standing Advising Group on Nuclear Energy (SAGNE) à l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA).

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