Fusion: l as de nos cartes énergie? Understand article

Traduit par Camille Ducoin. Alors que les besoins énergétiques de notre société continuent de s'accroître, les réserves d'énergies fossiles, qui constituent toujours notre principale ressource, déclinent. Chris Warrick, de l'EFDA (European Fusion Development Agreement), explique pourquoi…

Recherches sur la fusion:
recréer sur terre les réactions
à l’oeuvre dans le soleil

Maîtriser la fusion, énergie du soleil, a longtemps été un rêve: celui d’une ressource énergétique quasiment illimitée, et respectueuse de l’environnement. Avec le démarrage d’ITER, un nouveau pas rapprochera le rêve de la réalité. Cette installation destinée à réaliser la fusion à l’échelle d’un réacteur sera prochainement construite à Cadarache, dans le Sud de la France.

Pourquoi rechercher une nouvelle façon de produire de l’énergie? La consommation mondiale d’énergie devrait doubler au cours des 40 prochaines années, et l’émergence de pays en voie de développement pourrait accentuer cette croissance. Actuellement, 80% de l’énergie mondiale est fournie par les combustibles fossiles, polluants et responsables du changement climatique. Ces combustibles finiront par être épuisés: le premier signe en sera une baisse des taux d’extraction du pétrole, qui pourrait bientôt se produire. Il n’existe pas de solution miracle. En revanche, nous pouvons faire face à ces problèmes de façon  équilibrée, en faisant appel à diverses approches. Ceci impliquera une meilleure efficacité énergétique, une utilisation accrue des énergies renouvelables et de la fission nucléaire, et une intensification des recherches destinées à mettre au point de nouvelles technologies telles que la fusion.

L’idée de produire de l’énergie par réactions de fusion nucléaire contrôlées n’a rien de nouveau. La difficulté consiste à reproduire sur terre les réactions à l’oeuvre dans le soleil. Contrairement à la fission des noyaux lourds (séparation en deux morceaux), la fusion des noyaux légers exige des conditions extrêmes pour se produire et se maintenir. La réaction choisie pour les expériences terrestres est la fusion du deutérium et du tritium (deux versions lourdes de l’hydrogène), produisant un hélium et un neutron porteur de l’énergie excédentaire. Pour cela, il faut produire un gaz ionisé, appelé plasma, à très haute température: environ 150 millions de degrés Celsius. Il faut aussi une densité de particules suffisante, et une méthode de confinement qui maintienne l’énergie à l’intérieur du plasma pendant un temps assez long pour permettre à la réaction de fusion de s’entretenir, en libérant plus d’énergie que le minimum requis pour maintenir la température du combustible.

La fusion ne génère pas de réactions en chaîne, contrairement à la fission. C’est une caractéristique importante, qui en garantit la sûreté: il n’est pas possible que la réaction s’emballe. À chaque instant, seuls quelques grammes de combustible se trouvent dans l’enceinte contenant le plasma, soit un temps de combustion d’une minute. Pour arrêter la réaction, il suffit d’interrompre l’entrée du combustible, comme pour un four à gaz.

L’intérieur de l’enceinte de
JET, contenant le plasma (à
gauche)

Au cours des trois dernières décennies, les recherches sur la fusion se sont axées principalement sur un système appelé tokamak. Dans un tokamak, un anneau de plasma en forme de tore est confiné dans une enceinte à vide. Le plasma devant être chauffé à 150 millions de degrés Celsius, il faut un moyen efficace de maintenir le plasma à l’ecart des parois de l’enceinte; comme il est composé de particules chargées, on utilise des champs magnétiques puissants générés par de grandes bobines situées autour de l’enceinte.Plusieurs méthodes complémentaires sont employées pour atteindre la température requise. L’une d’elles consiste à faire circuler un courant électrique intense à travers le plasma; un chauffage supplémentaire est fourni par injection de micro-ondes et de faisceaux de particules neutres.

Le tokamak JET

Des progrès significatifs ont été réalisés grâce aux expériences sur différents tokamaks à travers le monde. En Europe, l’effort de recherche est centré sur le tokamak JET (Joint European Tokamak) installé au Culham Science Centre, au Royaume Uni. JET est l’élément principal des recherches européennes sur la fusion; s’y ajoutent les contributions de plusieurs tokamaks plus petits répartis dans différents laboratoires du continent.

Des progrès significatifs ont été réalisés grâce aux expériences sur différents tokamaks à travers le monde. En Europe, l’effort de recherche est centré sur le tokamak JET (Joint European Tokamak) installé au Culham Science Centre, au Royaume Uni. JET est l’élément principal des recherches européennes sur la fusion; s’y ajoutent les contributions de plusieurs tokamaks plus petits répartis dans différents laboratoires du continent.

La puissance produite par fusion dans JET est d’environ 16 megawatts; un résultat proche des 25 megawatts requis pour maintenir le plasma à la température de fusion, mais encore insuffisant. Plus de puissance en entrée qu’en sortie: pas très prometteur comme source d’énergie! Cependant, des études basées sur la comparaison des résultats de JET et d’autres tokamaks plus petits montrent que si l’on augmente encore la taille du réacteur, la fusion devrait produire plus de puissance qu’il n’en faut pour chauffer le plasma.

Le réacteur à fusion ITER

La possibilité de réaliser une centrale électrique à fusion basée sur ce principe est quasiment certaine. D’autres études sont pourtant nécessaires, notamment en ce qui concerne les technologies nécessaires pour garantir la sûreté, la fiabilité et la rentabilité d’une future centrale. Le réacteur expérimental ITER (International Tokamak Experimental Reactor) sera une étape décisive vers la réalisation d’une centrale à fusion commerciale. Il sera deux fois plus grand que JET et devrait produire une puissance supérieure à 500 megawatts, soit au moins dix fois la puissance nécessaire pour chauffer le plasma.

Comme son nom l’indique, ITER est un projet international. Il implique sept partenaires: Union Européenne,  Japon, États-Unis, Corée du Sud, Chine, Russie et Inde. Cette installation fera appel à des technologies de pointe, telles que des bobines magnétiques supraconductrices et une instrumentation avancée. Sa conception est désormais finalisée. En juin 2005, il a été décidé de construire ITER à Cadarache, dans le Sud de la France. L’heure est maintenant à la préparation de la construction, qui doit débuter en 2015.

Une difficulté inévitable avec cette technologie est l’emploi de tritium radioactif. Dans les futures centrales, le tritium sera produit à l’intérieur du réacteur, en cycle fermé; il n’y aura pas de transport de matière radioactive hors de l’installation, et seule une petite quantité y sera présente. L’intérieur de l’enceinte contenant le plasma deviendra radioactif durant le fonctionnement du réacteur, en recevant les neutrons produits dans les réactions de fusion. Cependant, si l’on emploi des matériaux appropriés, ils pourront être traités comme des déchets non radioactifs, ou recyclés après une durée d’environ 100 ans. Cette période est courte en comparaison des plusieurs milliers d’années nécessaires avant que les éléments d’un réacteur à fission puissent être manipulés sans danger. Une partie du programme de recherche sur la fusion est centrée sur le développement de ces matériaux dits ‘à faible activation’.

ITER est essentiel pour tester et assembler les différentes technologies intervenant à l’échelle d’un réacteur. Ce programme devrait confirmer la faisabilité d’une centrale à fusion. Cependant, avant qu’une telle usine puisse être construite, il faudra consacrer encore plusieurs années  à tester les matériaux en condition de fonctionnement afin de garantir la sûreté et la fiabilité de la centrale, et obtenir ainsi l’autorisation de  construction. Ces tests nécessitent une installation spéciale, appelée International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF). ITER, qui coûtera environ 5 milliards d’euros, et IFMIF, qui en coûtera près d’un milliard, sont des étapes clés dans le développement de la fusion comme source d’énergie exploitable. Bien que ces coûts puissent paraître élevés, ils sont faibles à l’échelle du marché mondial de l’énergie, qui revient à environ 3000 milliards d’euros par an.

Alors, quand la fusion fournira-t-elle de l’électricité au monde? En travaillant en parallèle sur ITER et IFMF, il devrait être possible d’obtenir d’ici 30 ans le premier prototype fonctionnel de central à fusion. Cela ne permet pas un abandon imminent des énergies fossiles; cependant, la fusion sera une précieuse option énergétique à partir de la seconde moitié du 21ème siècle.

 Implication de l’EFDA dans l’éducation et la communication

Brochure de l’EFDA à
destination des collèges et
lycées

Beaucoup d’instituts de recherche sur la fusion partenaires de l’EFDA (European Fusion Development Agreement) ont leur propre programme de communication, comportant généralement des conférences, visites d’écoles, et visites d’instruments de recherche tels que JET. Des informations sur ces différents programmes sont disponibles sur le site de l’EFDA.

Dans le cadre de l’EIROforum, l’EFDA participe au festival Science on Stage ainsi qu’à d’autres programmes de communication et d’éducation.

L’EFDA a publié une brochure de 60 pages, ‘L’énergie fait tourner le monde’, pour les collèges et lycées: elle constitue une ample introduction au monde de l’énergie. Il y est question de l’usage quotidien que nous faisons de l’énergie, de sa provenance, et de comment nous ferons face à nos besoins énergétiques dans le futur. Un document joint  contient des suggestions de discussions à aborder en classe.

Pour recevoir une version imprimée gratuite de cette brochure, envoyez un e-mail à aline.duermaier@efda.org, including your name, postal address and the number of copies you would like (up to five). en indiquant vos nom et adresse postale, ainsi que le nombre de copies souhaitées (cinq maximum). La brochure peut aussi être téléchargée  à l’adresse.

L’EFDA met à disposition plusieurs autres outils pédagogiques, tels qu’un CD-ROM: ‘Fusion, an energy option for the future’, et un poster éducatif sur la fusion, qui peuvent être commandés sur le site Internet de l’EFDA. Ce site fournit également des informations sur la science de la fusion, à un niveau basique et avancé.

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Institution

EUROfusion

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