Fusion nucléaire : la lente quête du mouvement perpétuel

La Chine a réussi fin 2021 à porter un plasma d'hydrogène à 70 millions de degrés pendant plus de 17 minutes. Le 27 janvier, les équipes du National Ignition Facility (NIF), un laboratoire américain, ont réussi à atteindre un plasma en combustion. Des prouesses qui font dire à certains que l'humanité est en passe de toucher la Terre promise d'une énergie abondante, sûre, peu chère et surtout décarbonée. Mais est-ce si simple ?

publié le 08/03/2022 Par Roman Bernard
Fusion nucléaire : La lente quête du mouvement perpétuel

Maîtriser l'énergie du Soleil : ce rêve prométhéen est ancien, mais de récents développements laissent penser à certains observateurs qu'il pourrait devenir réalité au cours du XXIe siècle.

Certes, cela fait depuis les années 1970 que des centrales nucléaires (les plus anciennes) sont en service sur le territoire français, mais ces réacteurs utilisent le principe de la fission nucléaire des noyaux d’uranium (ou de plutonium) pour produire de l’électricité. Concrètement, des neutrons viennent heurter des atomes d’uranium, qui se brisent en libérant une grande quantité de chaleur ainsi que des neutrons qui, à leur tour, entretiennent la réaction la chaîne. L’énergie ainsi produite sert à faire s’évaporer de l’eau qui, en mettant en mouvement des turbines, produit l’électricité que nous consommons.

Bien que ce processus possède l’avantage de produire une grande quantité d’énergie sans émission de CO2, il présente plusieurs problèmes de taille :

- l’approvisionnement en uranium repose sur des quantités terrestres finies ;

- la réaction génère des déchets radioactifs à vie longue dont la nocivité implique un stockage en couches géologiques profondes pendant des milliers d’années ;

- de potentiels accidents majeurs induiraient le déplacement de millions de personnes en dehors des zones devenues inhabitables ainsi que de graves conséquences économiques.

Pour pallier ces problèmes, la recherche scientifique actuelle s’intéresse (entre autres) à la fusion nucléaire. La fusion utilise une ressource très abondante, l’hydrogène, pour dégager une énergie colossale, et ce sans aucun déchet néfaste. Du moins, c’est comme cela que ça se passe dans notre étoile, le Soleil.

Comment ce miracle est-il possible ? Le Soleil est une boule de plasma qui possède en son sein une gigantesque quantité d’atomes d’hydrogène. Les conditions de température et de pression de notre étoile permettent la fusion de ces atomes, une réaction qui produit une quantité colossale d’énergie. Et comme les forces de pression induites par ces réactions de fusion « s’équilibrent » avec les forces de gravitation de notre étoile, la réaction s’entretient et le Soleil brille durablement.

Mais la situation n’est pas la même sur notre planète bleue : d’abord, comme nous l’avons rappelé dans un précédent article, l’hydrogène n’existe pas à l’état naturel. Sur Terre, on trouve essentiellement l’hydrogène sous forme combinée, avec des molécules d’oxygène (dans l’eau H2O), de carbone (dans le méthane CH4, l’éthane C2H6, etc.) ou encore sous une forme gazeuse (dihydrogène H2) extrêmement inflammable.

Ce dihydrogène n’est pas une forme propre à permettre la réalisation des réactions de fusion nucléaire sur Terre. Pour ce faire, il est nécessaire d’avoir recours à d’autres isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. Ainsi, on injecte un mélange gazeux contenant ces deux éléments dans un tokamak et on porte sa température à plus de 100 millions de degrés.

Le gaz laisse alors place au 4e état de la matière, le plasma, que l’on « piège » avec d’immenses électro-aimants de sorte que les réactions de fusion nucléaire se produisent de manière spontanée (1).

Le rêve des alchimistes

C’est dans ce contexte que le projet ITER est né. Ce dernier réunit 35 États sur le site de Cadarache, en plein arrière-pays provençal, avec pour objectif de réaliser une preuve de principe : prouver qu’il est possible de produire 500 MW de puissance de fusion pour une puissance en entrée dix fois inférieure (appelé « effet de levier »).

Site d'ITER, Cadarache, 30 août 2021 - Aerovista Luchtfotografie - @Shutterstock

Selon le site web du réacteur expérimental ITER, il s’agit ni plus ni moins de changer le plomb en or, ce vieux rêve des alchimistes de l'Antiquité et du Moyen-Âge.

Si le deutérium se trouve dans l’eau de mer et peut être facilement séparé des atomes d’hydrogène ordinaires, le tritium n’existe qu’à l’état de trace dans l’environnement terrestre. Selon ITER, celui-ci pourrait être produit directement à partir des neutrons issus de la réaction de fusion, en les faisant percuter avec les atomes d’un banc de lithium disposé autour du tokamak. L’approvisionnement en lithium ne constituerait pas un problème, puisque celui-ci est présent en abondance suffisante dans la croûte terrestre (à raison de 20 mg/kg).

Nous avons interrogé ITER sur le bilan énergétique global d’une réaction à fusion, en prenant en compte la dépense énergétique pour l’approvisionnement en deutérium et en lithium. Voici la réponse qui nous a été donnée :

« La notion de “bilan énergétique global”, fondée sur le rapport entre la quantité d’électricité consommée par l’ensemble de l’installation et la quantité d’électricité produite à partir des réactions de fusion, ne se pose pas pour ITER, machine expérimentale qui ne produit pas d’électricité…

Elle se posera bien évidemment lorsque la fusion abordera la phase d’industrialisation et de commercialisation. Et le coût énergétique de l’approvisionnement en deutérium et lithium entrera bien évidemment dans ces calculs. »

La question du bilan énergétique reste néanmoins pertinente puisque pour obtenir le deutérium, il faudrait dessaler de l’eau de mer, puis séparer l’hydrogène de l’oxygène au moyen de l’électrolyse. Enfin, il faudrait séparer les molécules de dihydrogène entre elles pour conserver uniquement celles constituées d'un ou deux atomes de deutérium Ces opérations auront nécessairement un coût énergétique qu’il semble pour le moment difficile à estimer.

Il faudra également estimer le coût énergétique de l’approvisionnement en lithium et de l’extraction du tritium, sans oublier la grande quantité d’énergie nécessaire dans le réacteur pour transformer les éléments en plasma.

Un « effet levier » pour l'heure inexistant

La rentabilité de la fusion nucléaire repose sur l'idée d'un rendement final décuplé par rapport à l'énergie consommée, lequel permettrait de couvrir les coûts énergétiques de fabrication du deutérium et du tritium et celui de la mise en température initiale du mélange contenu dans le tokamak.

On parle d'un « effet levier » : l'énergie investie serait plus que compensée par l'énergie obtenue.

Le problème, c'est que cet effet levier n'existe aujourd'hui qu'à l'état de théorie. À ce jour, les différents projets existants, dont le projet chinois ayant récemment battu un record de durée, ont réussi à créer des plasmas sans recueil de l'énergie produite, et sans que celle-ci soit équivalente à l'énergie consommée.

D’autre part, si les réacteurs à fusion présentent l’avantage d’une sûreté par rapport aux réacteurs classiques (2), ils ne sont pas sans problèmes.

En effet, les immenses électro-aimants doivent être maintenus dans des conditions de température proches du zéro absolu, en utilisant de l’azote liquide à -270°C. Or, il n’est pas garanti que ces derniers conservent leurs propriétés sur de longues périodes d’utilisation, surtout en étant bombardés par des neutrons lors de l’exploitation du réacteur.

Par ailleurs, si avec cette technologie, il n’y a plus de déchets à vie longue devant être enterrés, les réacteurs à fusion ne seront pas pour autant exempts de « déchets » : certaines structures du réacteur seront activées par les neutrons s’échappant du tokamak et deviendront donc radioactives. Ainsi, lorsque le réacteur cessera de fonctionner, ces structures devront être démantelées.

On le voit, si la fusion est prometteuse, les barrières technologiques sont encore importantes avant un possible déploiement de réacteurs industriels. Il faudra donc résoudre d’ici là des problématiques énergétiques que les technologies précédentes nous posent dès aujourd’hui.

Photo d'ouverture : Tokamak - Marko Aliaksandr - @Shutterstock