La production d’une énergie presque illimitée, propre et sans carbone à partir de la fusion nucléaire – une vision qui semble perpétuellement hors de portée – a franchi des étapes importantes au cours des dernières années pour devenir une réalité.
À la suite des percées majeures réalisées récemment dans les laboratoires de physique pour générer la fusion nucléaire, la quête s’est maintenant étendue au secteur privé, où une prolifération d’entreprises en démarrage s’efforcent de rendre le processus commercialement viable et rentable.
Si elles y parviennent, elles obtiendront une source abondante d’énergie pratiquement exempte de carbone, qui ne consommera pas de vastes étendues de paysages naturels et de zones côtières, comme le font les panneaux solaires et les turbines éoliennes. En outre, contrairement aux réacteurs à fission nucléaire actuels, l’énergie de fusion produit relativement peu de déchets radioactifs.
Le tritium et le deutérium, isotopes de l’hydrogène, sont les éléments utilisés dans la fusion, plutôt que les éléments lourds tels que l’uranium et le plutonium qui sont utilisés dans la fission. Les produits finaux d’une réaction de fusion sont l’hélium et les neutrons.
Outre le fait qu’elle produit moins de déchets, la fusion nucléaire n’entraîne pas de risque d’emballement des réactions en chaîne, comme celle qui s’est produite à Tchernobyl, affirment les scientifiques.
Si une centrale à fission s’arrête en cas d’urgence, « elle peut encore produire beaucoup d’énergie pendant un certain temps grâce à l’activité résiduelle dans le réacteur, et c’est pourquoi elle fond », a déclaré au journal Epoch Times Jean Barrette, professeur émérite de physique.
« Alors qu’avec la fusion nucléaire, vous éteignez l’interrupteur et c’est fini ; il n’y a pas de radiations résiduelles ».
Si les avantages potentiels de la fusion sont multiples, l’exploiter pour produire de l’électricité reste une tâche ardue.
« Le processus fondamental est bien connu et, bien sûr, c’est ce qui alimente les étoiles », a déclaré à Epoch Times Robert Fedosejevs, professeur d’ingénierie électrique à l’université d’Alberta et spécialiste de la technologie laser. Mais « la fusion est l’approche de la production d’énergie la plus ambitieuse sur le plan technologique que l’humanité ait jamais tentée ».
Au sein des étoiles, l’immense gravité crée une chaleur et une pression intenses qui entraînent la fusion de plusieurs noyaux d’hydrogène en un seul noyau d’hélium. Ce processus entraîne une légère perte de masse, et cette masse « manquante » est convertie en d’énormes quantités d’énergie selon la célèbre équation d’Albert Einstein : e = mc².
Toutefois, en l’absence de la gravité du soleil, le défi sur Terre consiste non seulement à créer une fusion continue, mais aussi à le faire d’une manière qui ne nécessite pas plus d’énergie qu’elle n’en produit.
En décembre 2022, le National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory, en Californie, a franchi ce seuil. Grâce au travail d’un millier de scientifiques américains et internationaux, le NIF a créé une réaction de fusion qui, pour la première fois, a produit plus d’énergie qu’elle n’en a consommée.
Pour ce faire, 192 faisceaux laser simultanés ont été envoyés dans une minuscule capsule de deutérium et de tritium (DT) de la taille d’un grain de poivre afin de la comprimer et de la chauffer à des températures comprises entre 50 et 100 millions de degrés Kelvin jusqu’à ce qu’elle fusionne, les produits étant un ion hélium, un neutron et de l’énergie.
« Ils ont essentiellement produit plusieurs mégajoules d’énergie de fusion, avec seulement deux mégajoules d’énergie laser », a déclaré le Pr Fedosejevs. « C’est la référence scientifique vers laquelle les gens travaillent depuis 50 ou 60 ans, pour au moins montrer qu’en laboratoire, on peut produire plus d’énergie à l’extérieur qu’à l’intérieur ».
« Il ne fait donc aucun doute que la fusion fonctionne. La question est de savoir comment nous pouvons techniquement y parvenir de manière durable en tant que source d’énergie ».
Des laboratoires aux réacteurs fonctionnels
Passer d’une réaction ponctuelle et nanoseconde en laboratoire à la production fiable et rentable d’électricité, c’est là que les scientifiques, les ingénieurs et les investisseurs du monde entier concentrent leurs efforts.
« Nous sommes très, très loin des centrales en activité », a déclaré le Pr Barrette. « Il faut réussir dans de très nombreuses directions ».
« Ce n’est pas une chose qui leur manque. Il leur manque de nombreux éléments qui doivent tous fonctionner pour que le réacteur soit efficace ».
La première consiste à créer des réactions soutenues par la fusion, afin de produire de l’électricité de base. Le développement dans ce domaine suit deux voies : la fusion par confinement inertiel au laser, le processus utilisé par le FNI, et la fusion par confinement magnétique, qui utilise un champ magnétique pour simuler l’intense gravité à l’intérieur des étoiles.
La fusion laser, que le Pr Fedosejevs décrit comme une « micro-implosion dans un récipient sous vide, entraînée par une impulsion laser ultra-courte », a pris la tête en termes de production de gains nets d’énergie à partir de la réaction. Les cibles de combustible DT sont méticuleusement disposées et les lasers sont tous dirigés avec précision vers un espace de la largeur d’un cheveu humain.
Ils sont ensuite tirés une fois avant d’être rechargés et réorientés. Le processus permet d’obtenir environ une réaction par jour.
Pour que la production d’électricité soit viable, les lasers devraient fonctionner au moins 100 fois par seconde, a déclaré le Pr Barrette, et bien qu’il ne soit pas impossible de résoudre ce problème et d’autres, « ils en sont encore au stade de la recherche ».
Les innovateurs dans ce domaine travaillent à la mise au point de lasers plus puissants qui peuvent fonctionner à un rythme beaucoup plus élevé afin de produire de l’énergie en continu.
Un rapport publié en août dans Physics Today et rédigé par les scientifiques nucléaires Stefano Atzeni et Debra Callahan note toutefois que la fusion par laser du NIF a été réalisée avec une technologie laser vieille de 30 ans et que les progrès réalisés dans la technologie des lasers et des cibles sont tels que la fusion par laser continue d’être considérée comme potentiellement viable d’un point de vue commercial.
Contrairement à la fusion laser, la fusion magnétique s’appuie sur un puissant champ magnétique pour créer les conditions nécessaires à la fusion.
Dans le cas de la fusion magnétique, une machine appelée tokamak, conçue en Union soviétique dans les années 1950, utilise des champs magnétiques pour confiner, comprimer et chauffer le plasma DT à l’intérieur d’un réacteur en forme de beignet appelé tore. Une fois la fusion réalisée, le produit est un ion d’hélium et un neutron. Ces neutrons sont capables de traverser le champ magnétique et, ce faisant, sont capturés par une « couverture » située à l’extérieur de la paroi ; il s’agit de la principale source de chaleur qui, à terme, produira de l’électricité.
Au cours des décennies qui ont suivi son invention, les scientifiques se sont efforcés de mettre au point des aimants de plus en plus puissants afin de produire davantage d’énergie pendant plus longtemps.
En 1982, le laboratoire de physique des plasmas de Princeton a créé le Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), qui a établi un certain nombre de records mondiaux, notamment en chauffant le plasma à 510 millions de degrés centigrades, bien au-delà des 100 millions de degrés requis pour la fusion commerciale. Ces températures dépassent celles du centre du soleil, que la NASA estime à environ 15 millions de degrés centigrades.
En 1994, le TFTR a généré un record de 10,7 millions de watts d’énergie de fusion contrôlée, ce qui permettrait d’alimenter plus de 3 000 foyers.
L’Angleterre exploite également un tokamak, appelé Joint European Torus (JET), qui a également réussi à produire des quantités record d’énergie de fusion. En outre, des scientifiques de 35 pays ont collaboré au tokamak ITER en France, qui sera le plus grand aimant supraconducteur jamais construit et devrait commencer à fonctionner en 2034.
« Il produira un champ de 13 teslas, soit l’équivalent de 280.000 fois le champ magnétique terrestre », indique un rapport du ministère américain de l’énergie (DOE). Si la fusion laser est actuellement la plus performante en termes de production d’énergie démontrée, la fusion magnétique pourrait s’avérer plus prometteuse pour générer l’énergie continue nécessaire à la production d’électricité de base ».
« Les tokamaks peuvent maintenir des courants de plasma au niveau du mégaampère, ce qui équivaut au courant électrique des éclairs les plus puissants », indique le ministère de l’énergie. « Les scientifiques spécialisés dans l’énergie de fusion estiment que les tokamaks constituent le principal concept de confinement du plasma pour les futures centrales de fusion ».
Pour ne pas être en reste, la Chine a construit le tokamak supraconducteur expérimental avancé à Hefei, qui a également fonctionné avec succès.
Les défis du « mur »
Parallèlement à la recherche de réactions de fusion commercialement viables, un autre obstacle de taille consiste à trouver le moyen de construire une structure physique fonctionnelle et durable pour contenir les réactions et en tirer de l’énergie.
« Nous avons eu l’idée de ‘mettre le soleil dans une bouteille’, et il s’avère que la partie la plus difficile n’était pas vraiment de créer le soleil », a déclaré à Epoch Times Eric Emdee, physicien chercheur au laboratoire de physique des plasmas de Princeton.
« Nous avons créé des plasmas à très haute température, des températures optimales pour la fusion. »
« La partie la plus difficile est de créer la bouteille. »
Dans un réacteur tokamak, le plasma DT contenu dans un champ magnétique est entouré d’une paroi physique, appelée composant face au plasma (PFC), qui doit résister à la chaleur de 100 millions de degrés de la réaction.
À l’instar des éruptions solaires, une partie du plasma s’échappe du champ magnétique pendant les réactions, menaçant d’endommager la paroi du vaisseau. En outre, les matériaux de la paroi peuvent interagir avec le plasma, le diluer et réduire la capacité de fusion du DT.
« Nous en sommes au stade où nous passons des expériences à la conception de prototypes de réacteurs, mais nous devons encore déterminer comment obtenir des interactions plasma-matériaux acceptables », a déclaré Eric Emdee. « Comment concevoir des parois de cuve qui soient économiques ? Quels sont les matériaux que nous pourrions utiliser et qui conviendraient le mieux au plasma ? »
Les recherches d’Eric Emdee se concentrent sur les matériaux du PFC qui pourraient résoudre ces problèmes et détourner la chaleur afin d’éviter d’endommager le réacteur. Il étudie l’utilisation de métaux liquides pour dissiper la chaleur, comme le lithium liquide, qui s’écoulerait le long de la paroi du tokamak.
Outre les problèmes de réaction et de confinement, la production de combustible pour la fusion présente également des difficultés, qui sont amplifiées par la nécessité de le produire en grandes quantités.
Pour la fusion par laser, écrivent Stéphano Atzeni et Debra Callahan, les cibles de combustible sont actuellement créées à la main dans le cadre d’un processus à forte intensité de main-d’œuvre. Toutefois, pour que cette technologie devienne commercialement viable, il faudrait que des millions de cibles de combustible soient utilisées dans un réacteur chaque jour où il fonctionne, et la capacité de produire en masse du combustible DT n’a pas encore été démontrée.
Le deutérium est abondant et peut être trouvé dans l’eau de mer, mais le tritium doit être « produit » à partir d’éléments tels que le lithium. Avec la fusion magnétique, le tritium peut être produit dans le tokamak lui-même.
« Pour ce faire, il faut un cycle de combustible dans lequel les neutrons issus de l’énergie de fusion sont capturés dans le lithium pour produire le tritium, puis il faut extraire le tritium et l’utiliser comme combustible », a expliqué le Pr Fedosejevs.
« Il y a donc un certain nombre de détails qui constituent encore un défi majeur, mais qui, en ce qui concerne la science, semblent réalisables, bien que personne ne l’ait encore fait à l’échelle nécessaire pour un réacteur ».
Des capitaux d’investissement en hausse
Un autre élément nécessaire au développement de l’électricité issue de la fusion est l’argent. Mais là aussi, il y a des raisons d’être optimiste.
Ces dernières années, une prolifération d’entreprises en démarrage a cherché à développer la fusion commerciale. Elles sont souvent issues d’universités engagées dans la recherche sur la fusion, telles que le MIT et Princeton, et collaborent fréquemment avec le monde universitaire en matière de recherche et de développement.
Nombre d’entre elles ont reçu des subventions publiques. Rien qu’aux États-Unis, en 2023, le ministère de l’énergie a annoncé l’octroi de 46 millions de dollars de subventions pour le développement commercial de la fusion, à huit entreprises réparties dans sept États.
« Dans un délai de cinq à dix ans, les huit lauréats relèveront les défis scientifiques et technologiques afin de concevoir une usine pilote de fusion qui contribuera à la viabilité technique et commerciale de la fusion », a déclaré le ministère de l’énergie.
En juin, le ministère de l’énergie a annoncé sa « Fusion Energy Strategy 2024 », qui fournira 180 millions de dollars supplémentaires pour le développement de l’électricité issue de la fusion.
« Le développement de l’énergie de fusion en tant que source d’énergie propre, sûre et abondante est devenu une course mondiale, et les États-Unis resteront en tête », a déclaré David Turk, secrétaire adjoint du ministère de l’énergie, dans un communiqué.
Parallèlement, les investissements privés dans la fusion nucléaire ont doublé au cours des deux dernières années, pour atteindre un total de près de 6 milliards de dollars en 2023, selon EnergyWorld.
L’année dernière, Helion Energy, une startup basée dans l’État de Washington, a signé un accord avec Microsoft pour fournir 50 mégawatts d’électricité issue de la fusion d’ici 2028.
« Il ne fait aucun doute que nous avons encore beaucoup de travail à accomplir, mais nous sommes confiants dans notre capacité à fournir la première installation de production d’énergie par fusion au monde », a déclaré David Kirtley, cofondateur et PDG d’Helion, dans un communiqué.
Alors que les investisseurs expriment leur ambition de voir la fusion commerciale devenir une réalité d’ici dix ans, de nombreux initiés estiment que le chemin à parcourir est plus long.
« S’ils peuvent maintenir ce rythme d’investissement, je pense que nous sommes sur la bonne voie pour voir des démonstrations d’ici le milieu des années 2030 et, je l’espère, des réacteurs d’ingénierie au début des années 2040″, a déclaré le Pr Fedosejevs.
Eric Emdee est plus prudent.
« Je dirais que les estimations optimistes concernant l’alimentation du réseau électrique par la fusion se situent peut-être dans les années 2040 », a-t-il déclaré. « Mais les estimations plus conservatrices, que je crois personnellement plus réalistes, se situent dans les années 2060 ou 2070 ».
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