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Fusion nucléaire : un réacteur aneutronique comme alternative à Iter ?

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Une compagnie privée californienne, Tri Alpha Energy, conseillée par le prix Nobel de physique Burton Richter, vient d'annoncer qu'elle progressait sur le chemin de la fusion contrôlée. La société n'est pas encore capable de réaliser des réactions de fusion, encore moins de produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme, mais elle possède un avantage sur Iter... Baptisée C2, la machine créée permettrait en effet, en théorie, de faire naître une réaction de fusion sans générer des flux de neutrons très énergétiques posant problème pour le moment.

Une vue de C2, la machine de la société Tri Alpha Energy. On ne sait pas encore grand chose sur elle car la société californienne communique peu. On sait tout de même qu'elle est développée avec l'aide de la Russie, des fonds provenant notamment de Paul Allen, le cofondeur de Microsoft, et que l'on peut trouver dans son conseil d'administration Buzz Aldrin et le prix Nobel de physique Arno Wilson. La réaction de fusion envisagée dans le futur avec C2 (ou plus probablement ses successeurs) produirait des particules alpha chargées. Particules dont l'énergie peut, en théorie, être directement convertie en électricité grâce au principe de la conversion cyclotron inverse. © Science Magazine

Le chemin vers la production commerciale d'électricité issue de la fusion contrôlée est très probablement encore long. Iter n'est qu'une étape vers ce but qui ne devrait être atteint qu'aux alentours de 2050, si tout va bien. Une date jugée trop lointaine pour bien des personnes... C'est pourquoi les annoncent se multiplient, 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 ARC réalisées par des membres du MIT (Massachusetts Institute of Technology). On ne peut être que sceptique devant ces alternatives, bien qu'il faille rester ouvert d'esprit.

Contrairement aux apparences, les recherches sur la fusion contrôlée progressent vite depuis 50 ans. Cependant, dompter le plasma nécessaire aux réactions de fusion s'est révélé plus difficile que prévu. Bien des configurations de champs magnétiques et de courants ont été imaginées et testées afin de confiner dans une sorte de bouteille magnétique ce plasma, porté à des températures dépassant la dizaine de millions de degrés qui règne au centre du Soleil, là où brûle sagement le feu thermonucléaire. Cette étape est cruciale puisqu'il n'existe aucun unobtainium connu capable de supporter de telles températures, les chercheurs ne peuvent donc se passer de cette bouteille magnétique, comme celle que l'on trouve dans un tokamak. Malheureusement, le génie a toujours trouvé le moyen de s'échapper de sa bouteille... Il y a cependant de l'espoir avec la taille et les caractéristiques de celle qui devrait être réalisée avec Iter.

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

Toutefois, même en supposant le problème du confinement stable et fiable du plasma résolu, reste une autre problématique, celle des neutrons. Il existe en effet 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). Le deutérium peut être extrait en grandes quantités de l'eau de mer mais le tritium est radioactif et particulièrement instable de sorte qu'il faudrait en fabriquer. Ce sont surtout les neutrons produits par la réaction de fusion qui sont problématiques. Très énergétiques, on ne sait pas encore réaliser un matériau qui pourra résister longtemps à leur production. Certains chercheurs, dont les prix Nobel de physique Pierre-Gilles de Gennes et Masatoshi Koshiba, n'ont d'ailleurs pas manqué d'exprimer leurs doutes à ce sujet tant la maîtrise de ces neutrons leur semblait irréalisable.

Une fusion aneutronique avec des accélérateurs de particules

Or, 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 ce défaut. Il s'agit 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. La fusion aneutronique a l'avantage de ne libérer qu'une proportion minime d'énergie sous forme de neutrons. Le hic reste que si le deutérium et le tritium sont capables de fusionner de façon convenable dans Iter à une température de 110 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 Tri Alpha Energy. Comme son nom l'indique, ils se proposent de fabriquer un réacteur à fusion aneutronique exploitant précisément la réaction p -11B. Ils veulent aussi obtenir un réacteur qui soit plus petit et moins coûteux qu'Iter et, selon eux, le projet est possible. 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 ». © Science Magazine, YouTube

Un temps de confinement stable du plasma multiplié par 10

Rostoker, décédé récemment, a eu l'idée d'utiliser des faisceaux de particules pour renforcer la stabilité du plasma et il semble que son équipe ait fini par marquer des points. Ses membres viennent en effet d'annoncer qu'il avait obtenu un plasma stable pendant 5 millisecondes alors que les précédentes tentatives depuis les années 1960 n'avaient abouti, au mieux, qu'à une stabilité durant 0,3 milliseconde. La température atteinte lors des expériences avec une machine baptisé C2 est de seulement 10 millions de degrés mais les physiciens de Tri Alpha Energy pensent qu'ils vont pouvoir atteindre des températures plus élevées tout en restant dans un régime de fonctionnement stable.

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 ait accepté de faire publiquement partie des conseillers du projet. Ce n'est guère étonnant car le fonctionnement de C2 fait intervenir, de multiples manières, des techniques utilisées pour accélérer des particules en physique des hautes énergies et Richter est 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.

Alors, le chemin vers la fusion contrôlée sera-t-il moins ardu que prévu ? Espérons que oui mais pour le moment, cela reste encore à démontrer.

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