Le physicien Étienne Klein du CEA. © DR
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La fusion contrôlée est-elle la clé du futur de l'Humanité ?

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[EN VIDÉO] Les 20 ans de Futura avec Etienne Klein  Deuxième invité exceptionnel de notre série « rédacteur en chef » de Futura pour une journée : Étienne Klein. Parrain de notre magazine depuis ses débuts, il est une personnalité forte, à l'œuvre foisonnante, à la fois physicien, philosophe des sciences et d'une grande curiosité ! 

À l'occasion des 20 ans de Futura, le physicien Étienne Klein du CEA nous a proposé dans son édito de parler de la fusion contrôlée, un des thèmes de recherche important de longue date du CEA et qui est d'ailleurs profondément engagé dans le projet du réacteur Iter. C'est une bonne occasion pour présenter une synthèse des nombreux articles que Futura a consacrés à ce sujet.

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Le Soleil fascine l'Homme depuis la plus haute Antiquité. On le sait, bien sûr, avec l'Égypte ancienne mais il n'est pas anodin de se rappeler que c'est l'image du Soleil que Platon utilise dans sa célèbre allégorie de la caverne qu'il expose dans le livre VII de La République. En suivant la trajectoire qu'il a tracée pour nous il y a plus de 2.000 ans, et que nous sommes encore loin d'avoir vraiment pu concrétiser en ce qui concerne certains de ses aspects, nous avons tout de même porté notre compréhension de la Phusis au point où nous avons percé les arcanes des mécanismes fondamentaux qui font briller non seulement le Soleil mais aussi les autres étoiles.

La fusion contrôlée se produit naturellement au cœur des étoiles avec des réactions thermonucléaires dans un plasma. © CEA Sciences

Nous voulons aller beaucoup plus loin. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) est la principale instance intergouvernementale au monde pour la coopération scientifique et technique dans le domaine nucléaire. En 2020, elle a organisé une nouvelle Conférence sur l’énergie de fusion (FEC 2020) Rappelons que le but premier de la fusion contrôlée consiste à maîtriser des réactions thermonucléaires similaires (mais pas identiques notamment parce que des forces différentes peuvent intervenir comme la force nucléaire faible capable de convertir un proton en neutron) à celles qui font briller le Soleil pour en faire une source d'énergie très abondante et aussi propre que possible. Sur le site français de la FEC, on pouvait voir une présentation rapide de la nature et des enjeux de cette conférence avec un texte du Français Bernard Bigot, directeur général de l'organisation Iter expliquant que : « La population mondiale devant atteindre 9 milliards d'habitants d'ici 2040, la demande mondiale d'électricité augmentera de 45 %. Comment répondre à cette demande, sans contribuer à la crise climatique, est une question cruciale. Des milliers d'entre nous travaillent dans le monde entier pour faire de la fusion une réalité. »

Une présentation des buts de la Conférence sur l’énergie de fusion (FEC 2020). © CEA

Si tout va bien, la fusion nous aidera après 2050 à répondre à cette question et elle sera peut-être la clé indispensable pour rendre efficace rapidement des stratégies de capture massive du gaz carbonique pour retourner au moins aux taux de la fin du XXe siècle et inverser le réchauffement climatique. Mais en attendant, il nous faut déjà agir contre le réchauffement climatique et les énergies renouvelables seules ne nous sauveront pas non plus. Elles sont bien trop coûteuses pour cela contrairement à ce qui est souvent dit dans les médias.

L'AIEA est une organisation internationale sous l'égide de l'ONU, comme le Giec, ce qui est un gage d'indépendance et on peut donc penser que l'on peut se fier assez largement à ses déclarations. Elle avait rappelé en 2019 que la Chine est en train de développer la production d'énergie nucléaire à un rythme record malgré ses efforts eux aussi considérables pour développer l'énergie solaire. Cela ne surprendra pas ceux qui savent, comme l'a expliqué notamment le regretté physicien et mathématicien David Mackay sur TEDx et dans un livre grand public en accès libre (L’énergie durable — Pas que du vent !), que l'humanité ne pourra pas relever les défis du XXIe siècle sans une combinaison des énergies renouvelables et nucléaires.

La vérité, comme l'expliquent par exemple depuis des années Jean-Marc Jancovici, les membres de Sauvons le climat (SLC) ou encore le climatologue James Hansen et Michael Shellenberger aux États-Unisc'est que nous ne pourrons en effet pas nous passer de l'énergie nucléaire basée sur la fission dans un futur immédiat. La Chine, qui ne peut pas se permettre le luxe de se laisser aveugler par de l'idéologie, le sait très bien. Elle en fournit la preuve, car, tout en développant massivement le solaire et l'éolien, elle a entrepris de développer tout aussi rigoureusement son parc nucléaire. Onze réacteurs étaient en construction en 2018 pour atteindre son but d'avoir 10 % de son électricité d'origine nucléaire en 2030. Récemment, elle a fait savoir qu'elle voulait six à huit réacteurs nucléaires par an entre 2020 et 2025 et qu'elle projetait de porter sa capacité totale à 70 gigawatts (GW), une hausse de 43,5 %.

Une présentation du projet Iter pour la fusion nucléaire contrôlée. Au tout début de cette vidéo on peut voir Bernard Bigot. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © iterorganization

Mais les réacteurs à fission ont des limites et l'idéal serait sans aucun doute de les remplacer dans la seconde moitié de ce siècle par des réacteurs à fusion contrôlée. La Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l'Inde, le Japon, la Russie et l'Union européenne en sont conscients et c'est pourquoi ces pays ont lancé le programme Iter (acronyme de l'anglais International Thermonuclear Experimental Reactor, ce qui signifie Réacteur thermonucléaire expérimental international).

En latin, Iter signifie aussi « le chemin ». Quel est ce chemin ? C'est 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 110-150 millions de degrés. C'est aussi le chemin qui, on l'espère, contribuera à fournir à l'humanité l'énergie décarbonée et abondante dont elle a tellement besoin pour survivre au XXIe siècle et terminer de sortir de son adolescence turbulente et violente.

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, dont les températures sont de l'ordre de 6.000 K. Inutile de dire que l'on ne peut pas stocker un tel plasma comme 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 tokamak au monde était la machine russe T1 de l'Institut Kourtchatov de Moscou (à l’image). Ses successeurs ont permis de beaucoup progresser dans la connaissance et la maîtrise de la stabilité des plasmas. © Iter Organization

Le premier résultat important a été 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 ont progressé de sorte que l'on a obtenu des confinements magnétiques stables. Maîtriser la stabilité du plasma jusqu'à un certain point est une chose, mais restait le problème de maintenir le confinement suffisamment longtemps et dans des conditions telles que l'on puisse obtenir plus d'énergie à partir de cette réaction de fusion que l'on en dépense pour les initier. Ce fut l'objectif principal des recherches menées depuis dans le monde.

Le principe de fonctionnement des réacteurs Iter et Demo est celui de la fusion magnétique dans un tokamak et il est expliqué dans cette vidéo. © CEA, DRF

Des supraconducteurs presque au zéro absolu pour la fusion

L'un des problèmes associés à la question du rendement des réactions est que l'on perd beaucoup d'énergie par effet Joule avec les courants utilisés pour faire fonctionner les aimants produisant les champs magnétiques des tokamaks. Les pionniers russes l'avaient déjà compris, et avaient proposé une solution : l'utilisation d'aimants supraconducteurs. Cela n'est guère étonnant, étant donné l'importance des travaux sur la supraconductivité et la superfluidité de l'école russe autour de Lev Landau et Vitaly Ginzburg.

La réaction de fusion qu'utilisera Iter. Elle produit des neutrons très énergétiques, trop et c'est bien là le problème. © DP

Plusieurs générations de tokamaks se sont succédé, notamment celui du fameux JET (acronyme de l'anglais Joint European Torus, littéralement tore commun européen), le plus grand tokamak existant jusqu'à présent. Ils ont permis de valider des lois permettant d'envisager ce qui doit se passer lorsque l'on augmente la taille d'un tokamak. On a compris que pour atteindre un rendement suffisant pour résoudre le problème du remplacement des énergies fossiles, il fallait une machine d'une taille suffisamment élevée. JET a aussi permis de réaliser et d'étudier la réaction de fusion entre le deutérium et le tritium, la plus prometteuse pour un réacteur thermonucléaire. Surtout, avec JET, les chercheurs se sont approchés de ce que l'on appelle le « breakeven », c'est-à-dire le point où l'on commence à produire plus d'énergie dans un réacteur que l'on en utilise pour produire la fusion des noyaux.

Si le deutérium est plutôt abondant sur Terre et assez facile à extraire de l'eau de mer, ce qui nous assure des ressources très importantes pour une très longue durée, le tritium est par contre très rare car il est radioactif et se désintègre avec une période de 12,3 années. On sait le produire artificiellement dans des centrales à eau lourde de type Candu (CANada Deuterium Uranium, en référence à l'utilisation de l'oxyde de deutérium, soit eau lourde, et du combustible à l'uranium naturel), mais en faibles quantités.

En tapissant l'intérieur d'un tokamak avec du lithium, le flux de neutrons à 14 MeV produits par la réaction de fusion initiée avec le tritium produit dans des réacteurs nucléaires permet la transformation de ce lithium en tritium et hélium. Mais ce flux de neutrons apporte avec lui un problème crucial que l'on cherche à résoudre. C'est l'objectif des recherches menées avec un projet implanté au Japon, l'Ifmif/Eveda (International Fusion Materials Irradiation FacilityEngineering Validation and Engineering Design Activities). Son but est de faire sauter un redoutable verrou technologique, si redoutable que sa solution a été envisagée avec scepticisme par deux prix Nobel de physique, rien de moins que Pierre-Gilles de Gennes et Masatoshi Koshiba.

En effet, on ne sait pas encore quel matériau sera capable de supporter suffisamment longtemps le flux de neutrons produit par la fusion du deutérium et du tritium. Il faudra peut-être en concevoir de nouveaux, par exemple à l'aide de simulations numériques sur supercalculateur. En tout état de cause, des expériences seront nécessaires et le CEA en France est impliqué dans la construction d'un accélérateur de particules à Rokkasho au Japon, le Lipac, (Linear IFMIF Prototype Accelerator), qui permettra de produire des flux de neutrons pour tester les matériaux qui seront utilisés.

Iter, une étape pour la production d'électricité thermonucléaire

Le résultat de toutes ces recherches a finalement été le projet Iter, qui se donne pour but de réaliser un réacteur thermonucléaire d'une taille équivalente au double de celle de l'Arc de Triomphe. Il utilisera des aimants supraconducteurs refroidis à l'hélium liquide presque au zéro absolu et confinant magnétiquement un plasma à 110-150 millions de degrés.

Le premier plasma dans le tokamak est prévu pour 2025. Mais il ne s'agira pas de la date des premières expériences de fusion proprement dite avec du tritium et du deutérium qui sont prévues pour 2035. Car pendant des années, les chercheurs apprendront à optimiser le fonctionnement de la machine. On espère ensuite atteindre un rendement (on parle de facteur d'amplification) d'au moins 10 pendant 400 secondes, c'est-à-dire produire au final 10 fois plus d'énergie qu'il n'en faut pour faire fonctionner le réacteur. Un rendement en continu de 5 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 terme, à Iter devrait donc succéder Demo (Demonstration power plant), le premier véritable prototype de réacteur pour la commercialisation d'électricité, prévue à l'horizon 2050 et qui, lui, synthétisera son tritium.

Des années 1950 aux années 2050, le chemin semble long, mais en regardant les progrès dans les performances des tokamaks depuis les années 1970, on est stupéfait d'apprendre qu'ils suivent presque la loi de Moore. Mieux, ces progrès sont plus rapides que ceux des accélérateurs de particules et des puces électroniques.

Des explications techniques sur le fonctionnement d'Iter. © CEA Sciences

Un seul chemin vers la fusion, vraiment ?

Dans son livre L'énergie bleue : histoire de la fusion nucléaire, le physicien Guy Laval, directeur de recherches émérite au CNRS et membre de l'Académie des sciences, rappelle que du début des années 1950 jusqu'à la fin des années 1960, ce ne sont pas les tokamaks russes qui semblaient porteurs des meilleurs espoirs pour contrôler la fusion thermonucléaire opérant au cœur des étoiles. Le grand astrophysicien états-unien Lyman Spitzer (1914-1997) avait montré qu'il devait être possible de corriger les problèmes de dérive des particules de plasma confinées magnétiquement dans un tore en utilisant plutôt une forme en bretzel. La machine proposée a reçu le nom évocateur de stellarator.

En creusant la question d'année en année, les ingénieurs et les physiciens ont réalisé graduellement qu'il fallait en fait obtenir un bobinage avec des aimants possédant une forme tourmentée bien précise pour parvenir au but désiré, à savoir un champ magnétique confinant de façon vraiment stable un plasma dans lequel se dérouleraient des réactions de fusion.

Malheureusement, la détermination et la réalisation de cette forme ont posé des problèmes grandissants dont l'un des principaux était que les ordinateurs de l'époque n'avaient pas la puissance de calcul suffisante pour déterminer précisément cette forme. Lorsqu'il est apparu que le problème de la dérive des particules pourrait être résolu en utilisant le champ magnétique produit par un courant central axial circulant dans le plasma confiné par un tore, les tokamaks russes ont pris l'ascendant sur les stellarators. Cela s'explique aussi par le fait que les premiers stellarators n'avaient pas les performances prévues par la théorie. Bien que pas totalement abandonnées, les recherches sur les stellarators étaient donc passées au second plan.

Ce dessin montre, en jaune, la forme que prendra le plasma dans des conditions de fonctionnement aussi bonnes que possible du stellarator Wendelstein 7-X. Il possède une symétrie d'ordre 5, comme celle d'un pentagone. En bleu, sont représentés les aimants générant le champ magnétique optimisé pour assurer un confinement stable du plasma. © IPP

Les disruptions, le point faible des tokamaks

Certes plus faciles à réaliser, les tokamaks ont cependant soulevé d'autres problèmes, dont l'un des plus aigus est celui des « disruptions » (ce mot anglais signifiant perturbations). Il s'agit d'instabilités spontanées qui peuvent se produire dans certains régimes de fonctionnement du plasma magnétiquement confiné. De façon imagée, on pourrait se le représenter comme les analogues de la brusque apparition des éruptions solaires à la surface de notre étoile. Ces disruptions pourraient endommager la paroi d'un tokamak. Il existe des moyens de lutter contre leur apparition en pilotant correctement le fonctionnement d'un tokamak comme celui d'Iter.

Toutefois, les stellarators, eux, n'ont pas ces problèmes de disruptions. Leur forme compliquée doit permettre de les supprimer naturellement. D'autre part, comme la puissance des ordinateurs a continué à croître selon la loi de Moore, il est devenu aujourd'hui plus facile d'aborder les difficultés rencontrées pendant les années 1960. C'est pourquoi les recherches sur les stellarators se sont poursuivies.

Cela a débouché ces dernières années en Allemagne sur la mise en fonctionnement du stellarator Wendelstein 7-X. Avec un diamètre de l'ordre de 15 mètres pour une masse de 550 tonnes, il est constitué de 70 aimants supraconducteurs destinés au confinement du plasma. À terme, les chercheurs veulent prouver qu'avec lui ils peuvent enfin faire jeu égal avec les tokamaks sur le plan du contrôle de la stabilité du plasma. S'ils y parviennent, il se pourrait bien que les réacteurs à fusion contrôlée produisant de l'énergie électrique de façon industrielle à la fin du XXIe siècle ne soient pas les descendants d'Iter mais des stellarators qui succéderont à Wendelstein 7-X.

Pour l'instant, les résultats du match entre tokamaks et stellarators en restent essentiellement à ce que les premiers sont bien plus faciles à concevoir et à construire que les seconds, mais qu'ils sont bien plus difficiles à piloter pour éviter des disruptions.

Le stellarator Wendelstein 7-X fera-t-il mieux qu’Iter, et plus tôt ? Espérons-le ! © Euronews, YouTube

Le chemin vers la production commerciale d'électricité aux alentours de 2050 avec Iter et Demo conduit à une date jugée trop lointaine pour bien des personnes devant l'urgence de la décarbonation de l'économie mondiale. On peut, à juste droit, s'alarmer du fait qu'on ne prévoit pas la construction industrielle de réacteurs thermonucléaires avant les années 2050, voire plus tard encore. C'est pourquoi les annonces se multiplient depuis quelque temps, notamment aux États-Unis, pour présenter des projets de recherches alternatives. Le but : réduire non seulement les délais d'obtention d'un réacteur à fusion contrôlée capable de fournir de l'électricité mais aussi diminuer la taille et le coût de fabrication de cette mythique machine. On peut citer l'exemple de Lockheed Martin et, plus récemment, des études sur un réacteur réalisées par des membres du MIT (Massachusetts Institute of Technology).

Mais avant de se lancer vraiment sur ces autres chemins ne suffirait-il pas seulement de beaucoup plus de moyens pour aller beaucoup plus vite avec Iter ? Après tout, on a bien vu récemment que la mise au point de vaccins contre la Covid-19 s'est effectuée très rapidement, si l'on pense à d'autres vaccins, et que même si la technologie des vaccins ARN était en fait en gestation depuis un bon moment déjà et que l'on a pu bénéficier d'un grand nombre de volontaires rapidement pour atteindre une phase III à la vitesse de l'éclair, le fait que bien des États aient ouvert à fond les robinets de financement a certainement joué un rôle important.

La fusion ne pourra arriver qu'à son rythme

Cette question du financement, on la pose depuis longtemps à Bernard Bigot, le directeur d'Iter. Il répond à ce sujet que si certes des moyens plus importants seraient utiles, il serait faux de croire que deux fois plus d'argent permettrait de diviser par deux le temps pour atteindre les étapes prévues en ce qui concerne Iter.

En effet, les conditions à obtenir dans le tokamak d'Iter sont exceptionnelles. Il va falloir maintenir dans un volume d'environ 1.400 mètres cubes un volume de plasma de 840 mètres cubes (c'est dix fois plus grand que celui du plus grand des tokamaks aujourd'hui en activité) à une température de 150 millions de degrés au moins et avec des pressions de l'ordre du millionième d'atmosphère. Surtout, pour maîtriser le confinement magnétique du plasma et éviter des instabilités analogues à des éruptions solaires, il faut pouvoir produire des lignes de champ magnétique dont les positions dans l'espace sont soigneusement déterminées, au millimètre près.

Il n'y a qu'une seule solution pour cela, produire des pièces du réacteur avec un très haut niveau de qualité et en faire un assemblage extrêmement précis. Si l'on va trop vite, explique Bernard Bigot, et que le travail est « bâclé », on court le risque que le tokamak n'atteigne pas les performances nécessaires. En voulant gagner du temps, on pourrait donc en réalité en perdre considérablement.

Iter et l'IA

On pourrait lui rétorquer, comme on l'a vu précédemment, qu'il existe d'autres voies de recherche avec des machines différentes, plus petites, potentiellement moins chères et qui sont explorées par des pays, voire des entreprises privées. Et si on pouvait atteindre la production d'électricité à l'horizon 2035 en empruntant un autre chemin ?

Bernard Bigot n'hésite pas à dire que c'est une très bonne chose que l'on continue à explorer ces possibilités et qu'il serait le premier à se réjouir de leur succès, car ce qui compte c'est de dompter le plus rapidement possible la fusion. Mais il faudrait pour cela réaliser des percées révolutionnaires parce qu'en l'état, on ne voit pas comment faire sans violer les lois de la physique. Il faudrait donc pour le moins qu'une « astuce », vraiment restée cachée et reposant sur les lois connues, soit découverte. Le directeur d'Iter ne cache pas son pessimisme à ce sujet.

Pourtant, on sait que l’intelligence artificielle (IA) monte en puissance et on pourrait se demander si elle ne pourrait pas justement résoudre certains problèmes d'une façon complètement imprévue pour un cerveau d'Homo sapiens.

Une chose est certaine, comme l'a expliqué Bernard Bigot à Futura à l'occasion de la Conférence sur l’énergie de fusion (FEC 2020) en précisant qu'il pensait que l'IA aurait un rôle important à jouer une fois que le réacteur sera en fonction après 2025, c'est qu'une énorme quantité de données associées à un grand nombre de paramètres pour la machine et l'état du plasma vont être produites par Iter. C'est donc typiquement un problème du domaine du big data où l'IA pourrait permettre de faire des découvertes concernant les manières de s'y prendre pour assurer le succès d'Iter. L'organisation internationale Iter pour l'énergie de fusion a donc, en prévision, commencé à se rapprocher des acteurs actuels de l'IA appliquée au big data.

Il n'y a vraiment rien d'étonnant en fait. Iter disposera d'environ 50 dispositifs de diagnostic et on sait que la physique des plasmas est un domaine compliqué utilisant des systèmes d'équations non linéaires décrivant des phénomènes complexes, relevant de la théorie du chaos et de celle de la turbulence. On s’attend à ce que plusieurs millions de Gigabytes (2,2 pétaoctets précisément) soient produits chaque jour de fonctionnement d'Iter. S'il existe des régularités cachées dans ces données qu'il faudrait découvrir et exploiter, clairement il faudra employer des stratégies comme le Deep learning pour y parvenir. On peut penser que l'IA nous permettra de découvrir et de mettre en pratique de nouvelles solutions pour contrôler le fameux problème des disruptions avec le plasma du tokamak.

On peut se convaincre de l'avenir de l'IA dans le domaine de la fusion contrôlée en citant l'exemple daté de quelques années de la start-up Tri Alpha Energy (TAE), financée notamment par Paul Allen, co-fondateur de Microsoft. Elle bénéficiait déjà de l'appui technique de Google et du Machine learning  pour optimiser des configurations de plasma.

Différentes réactions de fusion sont envisagées. La dernière de la liste (en bas), se réalise avec du bore (boron en anglais) pour produire trois noyaux d'hélium, des particules alpha. © Jasiek Krzysztofiak, Nature

Une fusion aneutronique avec des accélérateurs de particules

Il vaut la peine de s'attarder sur Tri Alpha Energy (TAE) pour une tout autre raison. Comme on l'a vu dans le cas d'Iter, même en supposant le problème du confinement stable et fiable du plasma résolu, reste une autre problématique, celle des neutrons. Or il existe plusieurs réactions de fusion possibles. Celle dont le rendement est particulièrement bon et qui exige des températures relativement basses fait intervenir des noyaux de deutérium et de tritium, des isotopes de l'élément hydrogène (voir la première équation de l'image ci-dessus).

Mais, il existe une réaction de fusion qui, bien que demandant 30 fois plus d'énergie au départ et produisant seulement la moitié de l'énergie de fusion du deutérium et du tritium, n'a pas l'inconvénient d'un flux de neutron. Il s'agit en effet de la fusion aneutronique d'un proton (p) avec un noyau de bore (11B) qui produit trois particules alpha (voir la dernière équation de l'image ci-dessus), des particules chargées que l'on peut en principe contrôler avec des champs magnétiques ou électriques. Le hic c'est que si le deutérium et le tritium sont capables de fusionner de façon convenable dans Iter à une température de 110-150 millions de degrés environ, la fusion p11B nécessite d'atteindre 3 milliards de degrés...

Depuis la fin des années 1990, un groupe de chercheurs s'est formé autour du physicien Norman Rostoker fondant en Californie la société privée appelée donc Tri Alpha Energy. Comme son nom l'indique, ses membres se proposent de fabriquer un réacteur à fusion aneutronique exploitant précisément la réaction p - 11B, plus petit et moins coûteux qu'Iter. L'équipe veut pour cela revisiter un concept qui a reçu le nom de field-reversed configuration (FRC). Étudiée depuis les années 1960, cette alternative aux tokamaks permet de confiner de façon stable avec des champs magnétiques.

Une vidéo expliquant les principes de base de la fusion avec FRC mis en pratique par les membres de Tri Alpha Energy. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En cliquant ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © TAE Technologies

Rostoker, décédé récemment, a eu l'idée d'utiliser des faisceaux de particules pour renforcer la stabilité du plasma et son équipe a fini par marquer des points. La prudence reste de mise car, sur la route menant à la fusion contrôlée, de nombreux succès ultérieurs, extrapolés à partir des performances des machines en cours d'étude, n'étaient en réalité que des chimères. Toujours est-il que les performances de Tri Alpha Energy sont suffisamment impressionnantes pour que le prix Nobel de physique Burton Richter hélas également décédé depuis, ait accepté de faire publiquement partie des conseillers du projet. Ce n'est guère étonnant car le fonctionnement de la machine construite par TAE fait intervenir, de multiples manières, des techniques utilisées pour accélérer des particules en physique des hautes énergies et Richter était un expert dans le domaine de la physique des accélérateurs, comme on peut s'en rendre compte en lisant son autobiographie sur le site de la fondation Nobel.

Le principe de la fusion inertielle. © CEA Sciences

Des lasers pour la fusion inertielle et les armes nucléaires

Il existe encore une autre approche possible pour faire de la fusion contrôlée mais bien que des recherches se poursuivent à son sujet, elle est pour le moment nettement moins prometteuse qu'avec un tokamak, c'est la voie dite de la fusion inertielle. Au lieu de confiner du plasma dans un champ magnétique et de le chauffer avec des ondes électromagnétiques, on peut comprimer et porter à haute température un mélange de deutérium et de tritium solide avec un laser.

Parallèlement aux investissements qu'ils ont réalisés dans le projet Iter, les États-Unis poursuivent des recherches sur la fusion par laser avec le National Ignition Facility (NIF), faisant partie du célèbre Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) californien. Rappelons que le LLNL a joué un rôle important dans le développement de la bombe H aux États-Unis et qu'il est maintenant en charge du stockpile stewardship, le programme états-unien de tests de fiabilité et de maintenance de son armement nucléaire, sans recours à des essais en grandeur nature des armes.

Les recherches du LLNL sont donc avant tout à but militaire et accessoirement sur la fusion contrôlée sur le principe de la fusion inertielle, le même que celui utilisé pour faire exploser une bombe H. Comme l'explique très bien la vidéo incontournable du CEA, ci-dessous, il faut des lasers pour explorer cette voie différente de celle de la fusion par confinement magnétique qui est à la base du projet Iter. Les États-Unis poursuivent donc des recherches sur la fusion inertielle grâce aux 192 lasers ultraviolets équipant le NIF. ll existe des parallèles entre ce qui se fait avec le NIF aux États-Unis et avec le Laser Mégajoule (LMJ) en France, d'autant plus que les expériences qu'on y mène permettent aussi de faire des tests concernant la physique des armes nucléaires.

Un microballon contenant quelques centaines de microgrammes de deutérium et de tritium est placé dans un conteneur. Des ouvertures permettent d’y faire pénétrer les faisceaux laser qui chauffent les parois internes. Celles-ci émettent un rayonnement X intense qui apporte l’énergie nécessaire au microballon pour le comprimer, le chauffer et déclencher les réactions de fusion. Ce microballon est une petite coquille de polymère d’une épaisseur de 200 micromètres, remplie avec un mélange de deutérium (D) et de tritium (T). Ces deux isotopes de l’hydrogène se présentent sous forme de gaz aux conditions normales de température et de pression (température et pression ambiantes). © CEA

Le principe des deux machines est d'utiliser un microballon de DT placé dans une cavité que l'on appelle un hohlraum (mot allemand désignant généralement une « zone creuse » ou une cavité). Ce genre de dispositif a comme ancêtre les cavités utilisées pour faire des expériences sur le rayonnement du corps noir. On les chauffait jusqu'à ce que les parois internes soient en équilibre thermodynamique radiatif avec l'énergie rayonnante dans la cavité. Une petite ouverture permettait alors à un rayonnement ayant le spectre d'un corps noir de sortir.

Dans le cas du NIF et du LMJ, des faisceaux laser pénètrent dans le hohlraum pour y provoquer la formation de rayons X qui vont comprimer et chauffer le microballon. Il faut pour cela que les couches supérieures de celui-ci s'évaporent de façon uniforme. L'effet produit sur le microballon est alors identique à ceux des gaz éjectés par la tuyère d'une fusée, sauf que dans le cas présent, la matière évaporée comprime une sphère jusqu'à une densité de quelques centaines de grammes par centimètre cube, et que l'on atteint aussi une température de 100 millions de degrés.

Le hohlraum du NIF est une cavité dans laquelle est placé un microballon de deutérium et de tritium. Ouvert aux deux extrémités, il permet de faire entrer les faisceaux laser nécessaires pour faire de la fusion inertielle. © Lawrence Livermore National Laboratory

Le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a réussi à faire le buzz en annonçant que ses chercheurs avaient réussi « un pas en avant historique pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel ». Mais avant de commencer à vraiment s'exciter pour une machine à fusion, il faut se rappeler qu'il faut atteindre avec elle un point de fonctionnement où l'on a aussi bien ce que l'on appelle le breakeven que l'ignition.

L'ignition est atteinte lorsque la réaction de fusion thermonucléaire peut s'entretenir elle-même avec l'énergie qu'elle libère. De l'aveu du LLNL lui-même, ils n'en sont encore pas là.

Le breakeven, c'est lorsque le bilan total de l'énergie nécessaire pour allumer une réaction de fusion est au pire égal à l'énergie libérée et au mieux inférieure. On obtient donc un rapport Q (énergie libérée/énergie dépensée) qui vaut 1 encore jamais atteint avec une réaction de fusion. On espère que Iter produira un Q=10, comme on l'a expliqué précédemment.

Non seulement la réaction réalisée au NIF ne s'auto-entretient pas encore mais le bilan d'énergie est déficitaire ! On peut se réjouir tout de même en ayant l'impression que le but est presque à portée de main, mais n'oublions pas qu'en 2009 les chercheurs pensaient atteindre l'ignition au LLNL dans les deux ans.

Voilà à quoi ressemble une expérience de fusion inertielle au NIF. En tout, 192 faisceaux laser sont concentrés dans une cavité d'une dizaine de millimètres de long contenant un microballon de deutérium et de tritium. © Lawrence Livermore National Laboratory, YouTube

La France aussi sur la piste de la fusion inertielle

Malgré tout, Daniel Vanderhaegen, directeur du Programme simulation de la Direction des applications militaires (DAM) du CEA, n'a pas caché pas son enthousiasme dans un communiqué du CEA. La Direction des Applications Militaires du CEA, au CEA-CESTA à proximité de Bordeaux, est l'équivalent français du NIF et s'occupe du Laser MégaJoule (LMJ) avec des buts similaires, militaires et concernant la fusion inertielle.

Daniel Vanderhaegen explique que : « Cette expérience réalisée au NIF constitue une avancée considérable, parce que les chercheurs américains, qui ont démarré les expériences laser depuis plus de 10 ans, se sont rapprochés du seuil d'ignition, soit le moment où l'on récupère autant d'énergie thermonucléaire que ce que l'énergie laser a fourni. Les 192 lasers du NIF ont produit 1,9 mégajoule et les Américains ont récupéré 1,3 mégajoule d'énergie thermonucléaire. Le rendement est de 0,7, très proche du gain de 1, le seuil d'ignition, résultat jamais obtenu auparavant. Les Américains ont ainsi obtenu une preuve de concept de la capacité à atteindre l'ignition. »

Mais, prudent et lucide, il précise plus loin que : « Pour produire de l'énergie de manière économique et rentable, il faudrait réaliser cette même expérience avec un gain non pas de 1 mais plutôt de 10, de façon répétitive et robuste, avec par exemple 10 expériences similaires par seconde, 24h/24... C'est un défi très ambitieux. C'est pourquoi la voie prioritaire pour produire de l'énergie reste la fusion par confinement magnétique à travers le projet Iter... Nous sommes actuellement au niveau de la preuve de concept et je ne pense pas qu'il soit possible d'arriver à quelque chose d'économiquement viable avant quelques décennies. »

Une vidéo de présentation du Laser Mégajoule. Il sert à simuler la physique des explosions des armes nucléaires et à faire des recherches sur la fusion contrôlée. © CEAsciences, CEA, YouTube

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