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La fusion sur Terre : histoire de la fusion

Dossier - Iter : la fusion nucléaire par confinement magnétique
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L'humanité est confrontée à un défi grandissant : celui de la demande énergétique. Jusqu'à présent, la majorité de notre énergie est produite à partir de réserves fossiles : charbon, pétrole, gaz. Tôt ou tard, ces réserves viendront à disparaître. Il est donc nécessaire de recourir à des sources d'énergies non-fossiles.

  
DossiersIter : la fusion nucléaire par confinement magnétique
 

L'identification des premières réactions de fusion a été réalisée dès 1932 par Mark Oliphant puis Ernest Rutherford, soit avant la découverte de la fission en 1938 par Otto Hahn et Fritz Strassmann.

Centrales atomiques. © Peteburke73, CC BY-SA 3.0

Pourtant, les progrès dans la maîtrise de la fission vont être beaucoup plus rapides que pour la fusion. Dès 1942, soit quatre ans à peine après la découverte de la fission, le physicien Enrico Fermi réalisa la première divergence contrôlée d'une pile nucléaire dans un réacteur expérimental. La possibilité d'une application pacifique de cette nouvelle source d'énergie a dès lors été envisagée et des réacteurs producteurs d'énergie ont vu le jour.

Stimulés par ce succès, les premiers concepts de dispositifs utilisant la fusion a des fins énergétiques émergèrent, généralement couverts par le secret militaire. Dans son discours d'ouverture de la première conférence sur l'utilisation pacifique de  l'énergie atomique (United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, ou « Atomes pour la paix ») à Genève en 1955, Homi .J. Bhabha s'est aventuré à prédire qu' « une méthode sera trouvée pour libérer l'énergie de manière contrôlée dans les deux prochaines décennies 3» . Cet optimisme n'était toutefois pas partagé par tous car de sérieux problèmes devraient au préalable être résolus avant de pouvoir atteindre cet objectif. Certains scientifiques n'ont d'ailleurs pas hésités à qualifier cette entreprise d'impossible. La maîtrise d'une source d'énergie importante poussa les équipes internationales à vouloir collaborer, malgré la guerre froide.

Il faudra attendre 1956 pour que Igor Kurchatov, alors à la tête des programmes de recherche soviétique sur la fusion, persuade le président russe Nikita Khrushchev d'ouvrir les recherches sur la fusion4 . Le Royaume-Unis et les États-Unis dé-classifièrent également leurs recherches en 1957. En septembre 1958, lors de la seconde conférence sur l'utilisation pacifique de la l'énergie atomique,  les grandes puissances révélèrent leurs résultats de recherche sur la fusion. A cette époque déjà, les bases du confinement magnétique avaient été publiées et les premiers résultats expérimentaux obtenus. Lev Artsimovitch, à la tête de la délégation soviétique, déclara que « l'un des facteurs les plus importants qui amènera au succès est la poursuite et le développement d'une collaboration internationale. ». Dès lors, les recherches sur la fusion ont acquis une dimension internationale et une communauté de scientifiques travaillant aux recherches et développements nécessaires à la création d'un réacteur à fusion nucléaire à vue le jour.

Différentes expérimentations virent le jour, en particulier aux États-Unis comme en Union Soviétique. Les annonces d'obtention de puissance réalisée grâce à la fusion, par exemple en 1958 par le dispositif anglais ZETA, provoque un optimisme grandissant en particulier auprès des médias et du grand public. Les idées sont nombreuses et de nombreux dispositifs seront testés durant ces années. Toutefois, au-delà des annonces, les résultats sont souvent décevants et piétinent pendant dix ans. Pour les scientifiques de cette époque, c'est une décennie de doutes et de frustrations.

C'est l'équipe russe dirigée par Lev Artsimovitch qui fut la première à démontrer expérimentalement en 1968 la possibilité de maitriser les instabilités macroscopiques, grâce à un dispositif nommé tokamak (du russe « toroïdalnaïa kamera s magnitnymi katushkami », « chambre toroïdale avec bobines magnétiques », un acronyme donné par Igor Golovin dans les années 50). Ces instabilités (dites magnétohydrodynamiques) engendrent des déformations à l'échelle du plasma qui conduisent à des pertes de son confinement, ce qu'il convient absolument d'éviter. La température à l'intérieur des tokamaks T-3 et TM-3 atteignent les 10 millions de degrés pendant 10 à 20 microsecondes, soit un facteur 100 par rapport aux meilleurs résultats anglais et américains. Ceux-ci atteignaient des températures de l'ordre d'un million de degré sur des durées n'excédant pas 1 microseconde sur des dispositifs nommés stellerators. Les résultats des russes seront rapidement confirmés, notamment par des équipes anglaises venues en Russie, puis améliorés par des équipes du monde entier.

Des progrès constants

On doit au chercheur américain John D. Lawson en 1956, un critère permettant de définir les conditions nécessaires pour que l'énergie libérée devienne supérieure à l'énergie fournie au système. Ce critère dépend de trois paramètres  :

• la densité du combustible, c'est-à-dire un nombre de particules par unité de volume  : n (unité : m-3)
• sa température  : T (unité: K)
• son « temps de confinement » de l'énergie τe  qui mesure le taux à partir duquel un système cède son énergie à son environnement. Ce temps doit être suffisamment grand de sorte que les réactions de fusion, intrinsèquement très improbables, puissent statistiquement se réaliser (unité : s).

Pour que la puissance générée par les réactions de fusion compensent les pertes, le triple produit densité x température x temps de confinement nTτe doit avoir une valeur minimale de l'ordre de 1021 keV s/m3 pour la réaction deuterium-tritium. Cette valeur a déjà été atteinte à l'intérieur de réacteurs expérimentaux.

Depuis 1968, des progrès importants ont été réalisés par les équipes internationales. Les performances des machines peuvent être comparées à partir de ce triple produit. Depuis 1970, ce triple produit a été multiplié par 10 millions. En trente ans, trois générations de tokamaks se sont succédées, pour lesquels les dimensions ont doublées à chacune des générations.

Depuis 1991,  plusieurs Mega-Watts de puissance fusion ont été créé de façon contrôlée dans ces expériences telles que JET (Joint European Torus, situé à Culham au Royaume-Uni) ou TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor, Princeton, Etats-Unis). Un maximum de 16 MW a été atteint durant quelques secondes en 1997 sur le tokamak JET. Les conditions nécessaires à l'obtention d'un réacteur n'ont à l'heure actuelle pas été atteintes  : c'est l'objectif du projet international Iter.