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)