Une vue en coupe du réacteur Iter. Notez l'homme qui donne une idée de la taille de la machine. © Iter Organization

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Iter

DéfinitionClassé sous :physique , fusion , deutérium

Le projet Iter, l'International Thermonuclear Experimental Reactor (Réacteur expérimental thermonucléaire international, en français) est implanté sur le site de Cadarache (dans les Bouches-du-Rhône, au nord d'Aix-en-Provence). Son objectif est de démontrer la possibilité scientifique et technologique de la production d'énergie par la fusion des noyaux atomiques.

Il faut savoir qu'en un an, l'humanité consomme une énergie totale de 15 TWan (térawatts.an). D'ici 2050, cette valeur aura presque doublé par rapport à aujourd'hui, alors que le manque d'énergie fossile se fera cruellement ressentir. L'une des solutions à ce problème fait l'objet d'études depuis plus de cinquante ans : c'est la fusion contrôlée. Elle consiste à maîtriser des réactions thermonucléaires similaires à celles qui font briller le Soleil. Les dirigeants de plus de la moitié de la population mondiale l'ont parfaitement compris. 

Projet Iter : vers la fusion contrôlée ?

C'est pourquoi la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l'Inde, le Japon, la Russie et l'Union européenne se sont réunis au sein du projet Iter, qui signifie « le chemin » en latin. Quel est ce chemin ? Celui de l'obtention de la fusion contrôlée, en utilisant un tokamak pour confiner le plasma obtenu à partir d'un mélange de deutérium et de tritium porté à 110 millions de degrés. Il faut savoir qu'avec 300 litres d'eau de mer, il serait possible d'extraire un gramme de deutérium. L'intérêt de cette réaction est donc facilement compréhensible : l'eau des océans permettrait, à elle seule, de subvenir aux besoins de l'humanité pendant environ un milliard d'années.

La taille du réacteur d'Iter sera le double de celle de l'Arc de Triomphe. Celui-ci utilisera des aimants supraconducteurs refroidis à l'hélium liquide presque au zéro absolu et sera, à terme, le descendant le plus sophistiqué et le plus grand des premiers tokamaks russes.

Une vidéo de présentation du projet Iter. Le réacteur est en construction sur le site de Cadarache, en France. Avec lui, la possibilité de produire de l'énergie grâce à la fusion contrôlée sera étudiée. © Iter Organization

Les tokamaks, ou le Soleil dans une boîte magnétique

Rappelons que le plasma est souvent désigné comme le quatrième état de la matière. Il se forme notamment lorsqu'un gaz est tellement chaud que ses atomes perdent un voire tous leurs électrons. Il s'agit donc d'un mélange d'ions et d'électrons libres, mais qui n'est plus un gaz, comme celui à l'origine des aurores boréales. En fait, on peut même dire que la majorité de la matière normale dans l'univers se trouve à l'état de plasma, que ce soit dans les étoiles ou dans le milieu interstellaire, dans lequel vogue actuellement Voyager 1.

Pour produire de l'énergie de fusion avec du plasma dans les laboratoires terrestres, il faut que sa température soit très élevée, bien plus que celle de la surface du Soleil ou du centre de la Terre (de l'ordre de 6.000 K). Inutile de dire qu'il est impossible de stocker un tel plasma comme on stockerait de l'air comprimé dans une bouteille, car aucun matériau ne pourrait résister à des températures dépassant largement le million de degrés. Dès les années 1950, les physiciens ont commencé à réfléchir à ce problème avec une idée : celle du confinement des particules chargées du plasma par des champs magnétiques, ce qui permettait de limiter les interactions entre le plasma et la paroi de l'enceinte. Cela a conduit les grands physiciens russes Igor Tamm et Andreï Sakharov à proposer le concept de tokamak, qui est l'acronyme en russe de toroïdalnaïa kamera s magnitnymi katushkami (en français, chambre toroïdale avec bobines magnétiques).

Le premier résultat important fut obtenu en 1968, encore par des chercheurs russes, qui démontrèrent qu'il était possible de maîtriser certaines instabilités dans le plasma qui barraient jusqu'alors le chemin vers la fusion contrôlée par confinement magnétique. Des années 1960 à 1985, la physique et la technologie des plasmas dans un tokamak progressèrent et des confinements magnétiques stables furent obtenus. Maîtriser la stabilité du plasma jusqu'à un certain point est une chose, mais il fallait encore maintenir le confinement suffisamment longtemps et dans des conditions permettant d'obtenir plus d'énergie à partir de cette réaction de fusion que les chercheurs n'en avaient dépensé pour les initier. Ce fut l'objectif principal des recherches menées ensuite dans le monde.

Principe de fonctionnement d'Iter

Le mélange combustible deutérium-tritium est injecté dans une chambre où il est chauffé avec des ondes électromagnétiques jusqu'à l'obtention d'un plasma suffisamment chaud pour qu'une réaction de fusion démarre et s'auto-entretienne en dégageant la chaleur nécessaire à la poursuite de la réaction. Ce faisant, le réacteur produit des cendres (les atomes d'hélium) et de l'énergie sous forme de particules rapides ou de rayonnement. Cette énergie produite sous forme de particules et de rayonnement est absorbée dans un composant particulier, la « première paroi », qui, comme son nom l'indique, est le premier élément matériel rencontré au-delà du plasma.

La réaction de fusion la plus efficace et la plus facile à mettre en œuvre pour produire de l'énergie est, pour le moment, celle faisant intervenir deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. © CEA

L'énergie qui apparaît sous forme d'énergie cinétique des neutrons est, quant à elle, convertie en chaleur dans des éléments au-delà de la première paroi, mais néanmoins à l'intérieur de la chambre à vide. Celle-ci est le composant qui clôt l'espace où a lieu la réaction de fusion. Les parois sont bien évidemment refroidies par un système d'extraction de la chaleur. La chaleur peut, en principe, être utilisée pour produire de la vapeur et alimenter un ensemble classique composé d'une turbine et d'un alternateur producteur d'électricité.

Iter, une étape pour la production d'électricité thermonucléaire

Si tout va bien, Iter commencera à fonctionner vers 2025 et, pendant des années, les chercheurs apprendront à optimiser le fonctionnement de la machine. Mais ce n'est qu'en 2035 au minimum que débuteront réellement les expériences avec de véritables réactions de fusion. Le rendement espéré (on parle de facteur d'amplification) est d'au moins dix pendant 400 secondes, c'est-à-dire produire au final dix fois plus d'énergie qu'il n'en faut pour faire fonctionner le réacteur. Un rendement en continu de cinq est aussi l'objectif à atteindre.

Iter lui-même n'est pas le prototype des centrales à énergie de fusion, qui fleuriront peut-être un jour sur tous les continents. Il n'est pas conçu pour cela : il sert à donner une preuve de principe que de telles centrales sont réalisables. Il ne produira pas non plus le tritium nécessaire à la réaction de fusion. À Iter, devrait donc succéder Demo (DEMOnstration Power Plant), le premier véritable prototype de réacteur pour la commercialisation d'électricité, prévue à l'horizon 2060.