Une percée majeure dans la fusion nucléaire nous a rapprochés de l'énergie « infinie »

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16 septembre 2021

Créer une source d'énergie durable avec une capacité pratiquement illimitée, sûre, économique et respectueuse de l'environnement. Les scientifiques cherchent actuellement à créer un réacteur à fusion capable de produire plus d'énergie qu'il n'en consomme. Cela semble possible.

 

By Greg De Temmerman

Chercheur associé à Mines ParisTech-PSL. Directeur Général de Zenon Research, Mines ParisTech


 

Le laboratoire national Lawrence Livermore a annoncé une percée majeure dans la fusion nucléaire, utilisant de puissants lasers pour produire 1.3 mégajoule d'énergie, soit environ 3 % de l'énergie contenue dans 1 kg de pétrole brut.

 

La fusion nucléaire a longtemps été considérée comme l'énergie du futur – une source d'énergie « infinie » qui ne repose pas sur la nécessité de brûler du carbone. Mais après des décennies de recherche, il n'a pas encore tenu sa promesse passionnante.

 

À quel point cette nouvelle percée nous rapproche-t-elle des résultats souhaités ? Voici un bref aperçu pour mettre cette nouvelle avancée scientifique en perspective.

 

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?

 

Il existe deux manières d'utiliser l'énergie nucléaire : la fission, qui est utilisée dans les centrales nucléaires actuelles, et la fusion.

 

Dans la fission, les atomes d'uranium lourds sont brisés en atomes plus petits pour libérer de l'énergie. La fusion nucléaire est le processus inverse : les atomes légers sont transformés en atomes plus lourds pour libérer de l'énergie, le même processus qui se produit dans le noyau plasma du Soleil.

 

Un réacteur à fusion amplifie la puissance : la réaction déclenchée doit produire plus d'énergie qu'il n'en faut pour chauffer le plasma de combustible pour que la production d'énergie se produise – c'est ce qu'on appelle l'allumage. Personne n'a encore réussi à le faire. Le record actuel a été atteint en 1997 par le Joint European Torus au Royaume-Uni, où 16 mégawatts de puissance ont été générés par fusion magnétique, mais il a fallu 23 mégawatts pour le déclencher.

 

A l'intérieur de la chambre de fusion du tokamak DIII-D, San Diego, USA. Rswilcox, CC BY-SA
A l'intérieur de la chambre de fusion du tokamak DIII-D, San Diego, USA. Rswilcox, CC BY-SA

 

Il existe deux voies possibles pour réaliser la fusion nucléaire : le confinement magnétique, qui utilise des aimants puissants pour confiner le plasma pendant de très longues périodes, et le confinement inertiel, qui utilise des impulsions laser très puissantes et brèves pour comprimer le combustible et déclencher la réaction de fusion.

 

Historiquement, la fusion magnétique a été privilégiée car la technologie nécessaire à la fusion inertielle, en particulier les lasers, n'était pas disponible. La fusion inertielle nécessite également des gains beaucoup plus élevés pour compenser l'énergie consommée par les lasers.

 

Confinement inertiel

 

Les deux plus grands projets inertiels sont le National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis et le Laser MégaJoule en France, dont les applications sont principalement militaires et financées par des programmes de défense. Les deux installations simulent des explosions nucléaires à des fins de recherche, bien que la National Ignition Facility effectue également des recherches sur l'énergie.

 

Le National Ignition Facility utilise 192 faisceaux laser qui produisent un total de 1.9 mégajoule d'énergie pendant une période de quelques nanosecondes pour déclencher la réaction de fusion. Le carburant est placé à l'intérieur d'une capsule métallique de quelques millimètres de diamètre, qui, lorsqu'elle est chauffée par des lasers, émet des rayons X qui chauffent et compriment le carburant.

 

C'est ce processus qui a permis, le 8 août 2021, d'atteindre la production d'énergie historique de 1.3 mégajoules, la valeur la plus élevée jamais enregistrée par l'approche inertielle : c'est-à-dire la plus proche de l'allumage.

 

Le gain global de 0.7 équivaut au record atteint par Joint European Torus en 1997 en utilisant le confinement magnétique, mais dans ce cas, le combustible a absorbé 0.25 mégajoules d'énergie et généré 1.3 mégajoules : la fusion a donc généré une bonne partie de la chaleur nécessaire à la réaction, approchant du point d'inflammation.

 

Pourtant, un réacteur devra réaliser des gains beaucoup plus élevés (plus de 100) pour être économiquement attractif.

 

Confinement magnétique

 

L'approche par confinement magnétique promet de meilleures perspectives de développement et est donc la voie privilégiée pour la production d'énergie à ce jour.

 

La grande majorité des recherches portent sur tokamaks, réacteurs à fusion inventés en Union soviétique dans les années 1960, où le plasma est confiné par un fort champ magnétique.

 

ITER, réacteur de démonstration en construction dans le sud de la France impliquant 35 pays, utilise la configuration tokamak. Il s'agira du plus grand réacteur à fusion du monde, et vise à démontrer un gain de 10 – le plasma sera chauffé de 50 mégawatts de puissance et devrait générer 500 mégawatts. Le premier plasma est désormais officiellement attendu d'ici la fin 2025, avec une démonstration de fusion attendue à la fin des années 2030.

 

Le Royaume-Uni a récemment lancé le projet STEP (Tokamak sphérique pour la production d'électricité), qui vise à développer un réacteur qui se connecte au réseau énergétique dans les années 2040. La Chine poursuit également une programme ambitieux produire des isotopes de tritium et de l'électricité dans les années 2040. Enfin, l'Europe envisage d'ouvrir un autre démonstrateur de tokamak, DÉMO, dans les années 2050.

 

Une autre configuration appelée le stellarator, comme celle de l'Allemagne Wendelstein-7X, montre de très bons résultats. Bien que les performances d'un stellarator soient inférieures à ce qu'un tokamak peut atteindre, sa stabilité intrinsèque et ses résultats récents prometteurs en font une alternative sérieuse.

 

L'avenir de la fusion

 

Pendant ce temps, les projets privés de fusion nucléaire ont explosé ces dernières années. La plupart d'entre eux envisagent une réaction de fusion dans les dix à vingt prochaines années et, ensemble, ont attiré 2 milliard de dollars de financement devancer le secteur traditionnel du développement.

 

Deux scénarios différents de déploiement de la fusion nucléaire, comparés à la fission éolienne, solaire et nucléaire. Crédit photo : G De Temmerman, D Chuard, J -B. Rudelle pour Zenon Research (auteur fourni)

 

Si ces initiatives utilisent d'autres technologies innovantes pour atteindre la fusion et pourraient ainsi très bien livrer rapidement des réacteurs opérationnels, le déploiement d'un parc de réacteurs à travers le monde prendra forcément du temps.

 

Si le développement suit cette voie accélérée, la fusion nucléaire pourrait représenter environ 1% de la demande énergétique mondiale d'ici 2060.

 

Ainsi, bien que cette nouvelle percée soit passionnante, il convient de garder à l'esprit que la fusion sera une source d'énergie pour la seconde partie du siècle – au plus tôt.

 

Cet article a été initialement publié par The conversation, Australia, le 26 août 2021, et a été republié conformément à la Licence publique internationale Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0. Vous pouvez lire l'article original ici et Il est à l'origine publié dans Français. Les opinions exprimées dans cet article sont celles de l'auteur seul et non du WorldRef.


 

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