Fusion nucléaire : la percée scientifique capitale dans l'exploitation de la source d'énergie des étoiles

Dans leur recherche d'une méthode permettant de réaliser une fusion nucléaire pratique, des scientifiques européens ont annoncé qu'ils avaient réalisé une percée majeure.

Le laboratoire britannique Joint European Torus (JET) a battu son propre record mondial pour la quantité d'énergie qu'il peut extraire en fusionnant deux formes d'hydrogène.

Si la fusion nucléaire - semblable à celle qui se produit dans les étoiles - peut être recréée avec succès sur Terre, elle offre la possibilité de fournir des quantités pratiquement illimitées d'énergie à faible émission de carbone et à faible rayonnement.

Les expériences ont produit 59 mégajoules d'énergie en cinq secondes (11 mégawatts de puissance).

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C'est plus du double de ce qui avait été obtenu lors de tests similaires en 1997.

Il ne s'agit pas d'une production massive d'énergie, juste assez pour faire bouillir environ 60 bouilloires d'eau. Mais ce qui est important, c'est qu'il valide les choix de conception qui ont été faits pour un réacteur de fusion encore plus grand, actuellement en construction en France, le réacteur thermonucléaire expérimental international, connu sous l'acronyme ITER.

"Les expériences du JET nous ont rapprochés de l'énergie de fusion", explique le Dr Joe Milnes, responsable des opérations de laboratoire du réacteur.

"Nous avons montré que nous pouvons créer une mini-étoile à l'intérieur de notre machine et la maintenir pendant cinq secondes et obtenir des performances élevées, ce qui nous fait vraiment passer à une nouvelle étape."

Le complexe ITER, situé dans le sud de la France, est soutenu par un consortium de gouvernements mondiaux, dont les États membres de l'UE, les États-Unis, la Chine et la Russie.

Elle devrait constituer la dernière étape pour démontrer que la fusion nucléaire peut devenir une source d'énergie fiable dans la seconde moitié de ce siècle.

Cela présente des avantages, car l'exploitation des centrales électriques du futur basées sur la fusion ne produirait pas de gaz à effet de serre et générerait également de très petites quantités de déchets radioactifs à courte durée de vie.

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"Ces expériences que nous venons de terminer devaient fonctionner", a déclaré le directeur exécutif du JET, le professeur Ian Chapman. "S'ils ne l'avaient pas fait, nous aurions de réelles inquiétudes quant à la capacité d'ITER à atteindre ses objectifs", ajoute-t-il.

"Les enjeux étaient élevés et le fait que nous ayons réussi ce que nous avons fait est dû à l'intelligence des gens et à leur confiance dans l'effort scientifique", confie le professeur à la BBC.

La solution trouvée

La fusion fonctionne sur le principe que l'énergie peut être libérée en forçant les noyaux atomiques à s'assembler plutôt qu'à se diviser, comme dans les réactions de fission qui alimentent les centrales nucléaires existantes.

Dans le noyau du Soleil, d'énormes pressions gravitationnelles permettent à ce phénomène de se produire à des températures d'environ 10 millions de degrés Celsius.

À des pressions beaucoup plus faibles que celles qu'il est possible de recréer sur Terre, les températures permettant de produire la fusion doivent être beaucoup plus élevées, supérieures à 100 millions de degrés Celsius.

Il n'existe aucun matériau qui puisse résister au contact direct avec une telle chaleur.

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Pour réaliser la fusion en laboratoire, les scientifiques ont donc imaginé une solution dans laquelle un gaz surchauffé, ou plasma, est maintenu à l'intérieur d'un champ magnétique en forme de beignet.

JET, situé dans le sud de l'Angleterre, est le pionnier de cette approche de fusion depuis près de 40 ans. Et depuis 10 ans, il a été mis en place pour reproduire l'installation ITER tant attendue.

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Contribuera-t-elle à la lutte pour sauver la planète ?

Analyse de Roger Harrabin, expert en environnement

L'annonce de la fusion est une excellente nouvelle, mais elle ne nous aidera malheureusement pas dans notre lutte pour atténuer les effets du changement climatique.

Il existe une grande incertitude quant à la date à laquelle l'énergie de fusion sera prête à être commercialisée. Une estimation suggère peut-être 20 ans. Il faudrait alors passer à la fusion à grande échelle, ce qui entraînerait un retard de quelques décennies supplémentaires.

Et c'est là que le bât blesse : le besoin d'une énergie sans carbone est urgent.

Pour reprendre les mots de mon collègue Jon Amos : "la fusion n'est pas une solution pour parvenir à des émissions nulles d'ici 2050. C'est une solution pour alimenter la société dans la seconde moitié de ce siècle".

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Le "combustible" préféré du laboratoire français pour fabriquer le plasma sera un mélange de deux formes - ou isotopes - d'hydrogène, le deutérium et le tritium.

Le JET devait faire la démonstration d'un revêtement pour l'enceinte de champ magnétique de 80 mètres cubes qui fonctionnerait efficacement avec ces isotopes.

Pour ses expériences sans précédent en 1997, le JET avait utilisé du carbone, mais le carbone absorbe le tritium, qui est radioactif. Ainsi, pour les derniers tests, de nouvelles parois de la cuve ont été construites avec du béryllium et du tungstène, qui sont deux métaux et sont 10 fois moins absorbants.

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L'équipe scientifique du JET a alors dû adapter son plasma pour travailler efficacement dans ce nouvel environnement.

"C'est un résultat étonnant car ils ont pu démontrer la plus grande quantité de production d'énergie à partir de réactions de fusion de tous les dispositifs de l'histoire", explique le Dr Arthur Turrell, auteur d'un livre intitulé "The Star Builders".

"C'est une étape importante car ils ont démontré la stabilité du plasma pendant cinq secondes. Cela ne semble pas très long, mais à l'échelle du temps nucléaire, c'est un temps très, très long. Et il est très facile de passer de cinq secondes à cinq minutes, ou cinq heures, ou même plus."

Le problème de l'alimentation

Le JET ne peut plus fonctionner car ses électroaimants en cuivre deviennent trop chauds.

Pour ITER, des aimants supraconducteurs à refroidissement interne seront utilisés.

Il est bien connu que les réactions de fusion en laboratoire consomment plus d'énergie pour être initiées qu'elles ne peuvent en produire. Au JET, deux volants d'inertie de 500 mégawatts sont utilisés pour réaliser les expériences.

Mais tout porte à croire que ce déficit pourra être comblé à l'avenir grâce à la mise à l'échelle des plasmas.

Le volume de la cuve toroïdale d'ITER sera 10 fois supérieur à celui du JET. Et le laboratoire français devrait atteindre le seuil de rentabilité. Les centrales commerciales qui suivront devraient avoir un gain net qui pourra alimenter les réseaux électriques.

Il s'agit d'un défi à long terme et il est significatif que, sur les quelque 300 scientifiques travaillant au JET, un quart soit en début de carrière. Ils devront prendre le relais de la recherche.

"La fusion prend beaucoup de temps, c'est complexe, c'est difficile", affirme le Dr Athina Kappatou. Elle a toujours moins de 40 ans.

"C'est pourquoi nous devons nous assurer que, d'une génération à l'autre, il y a des scientifiques, des ingénieurs et du personnel technique qui peuvent faire avancer les choses."

Cependant, de nombreux défis techniques subsistent.

En Europe, le consortium Eurofusion, qui regroupe quelque 5 000 experts en sciences et en ingénierie de toute l'UE, de Suisse et d'Ukraine, travaille sur ces défis.

Le Royaume-Uni est également un participant, mais il a été confronté à des problèmes avec sa sortie du bloc européen après le Brexit.

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Pourtant, les choses avancent déjà.

Le JET devrait être mis hors service après 2023 et ITER devrait commencer ses expériences sur le plasma en 2025, ou peu après.

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