Fusion nucléaire : quand les start-ups s’en mêlent

Consi­dé­rée par cer­tains comme la solu­tion d’avenir aux pro­blèmes éner­gé­tiques de l’humanité ou comme une vieille arlé­sienne tech­no­lo­gique par d’autres, la maî­trise de la fusion ther­mo­nu­cléaire agite les esprits (et les labo­ra­toires de recherche) depuis les années 1950. Depuis 70 ans, d’énormes pro­grès ont été accom­plis dans la maî­trise de cette source d’énergie qui ali­mente toutes les étoiles de l’Univers (notre Soleil en pre­mière place). Mais aus­si impres­sion­nants que soient ces pro­grès, force est de consta­ter que l’aboutissement indus­triel de ces tra­vaux peine tou­jours à se maté­ria­li­ser. « La fusion nucléaire, c’est pour dans 30 ans… depuis 50 ans », entend-on sou­vent. Mais depuis quelques années, de nou­veaux acteurs explorent ce ter­ri­toire : les start-ups. Où en sont ces pro­jets ? En voi­ci un petit tour d’horizon.

Lorsque l’on évoque la pro­duc­tion d’énergie civile par fusion ther­mo­nu­cléaire, le pre­mier pro­jet qui vient à l’esprit est ITER (Inter­na­tio­nal Ther­mo­nu­clear Expe­ri­men­tal Reac­tor). Ce colos­sal pro­jet scien­ti­fique, tech­nique et indus­triel, en cours de construc­tion à Cada­rache (France) fait par­tie de la 2^ème géné­ra­tion de pro­to­types de toka­mak.
Le toka­mak est une tech­no­lo­gie qui per­met de confi­ner le plas­ma (une soupe de noyaux d’atomes légers chauf­fés à au moins plu­sieurs dizaines de mil­lions de degrés) grâce à des champs magné­tiques, dans une vaste enceinte torique où la fusion nucléaire peut avoir lieu.

La pre­mière géné­ra­tion de ce type de réac­teur a don­né des résul­tats très inté­res­sants dès les années 1990. C’est ain­si qu’en 1997, le réac­teur expé­ri­men­tal bri­tan­nique JET (Joint Euro­pean Torus) atteint, à la fois, le record de tem­pé­ra­ture du plas­ma (320 mil­lions de degrés) mais aus­si le record de seuil d’amplification (η = 0.7). Cela signi­fie que pour 1 000 joules d’énergie uti­li­sée pour chauf­fer le plas­ma (et non l’éner­gie totale consom­mée par l’ins­tal­la­tion), on est arri­vé à reti­rer 700 joules des réac­tions de fusion produites.

L’objectif est évi­dem­ment d’arriver à reti­rer plus d’énergie de ces réac­tions que ce qui y a été injec­té (η > 1). Dans l’absolu, si l’on tient compte des dif­fé­rentes pertes et des limi­ta­tions tech­niques à toutes les étapes du pro­ces­sus, il fau­drait atteindre un ren­de­ment de pro­duc­tion d’au moins 10 (récu­pé­rer, donc, 10 fois plus d’énergie que celle que l’on a injec­tée) pour com­men­cer une pro­duc­tion indus­trielle de ce genre de réac­teur. Or ce ren­de­ment dépend (entre autres) du volume du réac­teur. C’est pour­quoi ITER, pro­jet inter­na­tio­nal issu de la col­la­bo­ra­tion de 35 pays, sera beau­coup plus gros que JET (la chambre à vide fera 6m20 de large sur 6m80 de haut pour un volume de plas­ma de 840 m³). Son objec­tif n’est pas, et il est impor­tant de le rap­pe­ler, de pro­duire de l’énergie de manière indus­trielle, mais de prou­ver qu’un ren­de­ment de 10 peut être atteint (entre autres).

Le prin­cipe du toka­mak torique n’est pas la seule concep­tion pos­sible d’un réac­teur dit « à confi­ne­ment magné­tique » pour atteindre la fusion nucléaire. D’autres confi­gu­ra­tions sont éga­le­ment à l’étude et donnent des résul­tats très inté­res­sants. En Alle­magne, une autre voie est explo­rée : le stel­la­ra­tor Wen­del­stein 7‑X. Le prin­cipe du stel­la­ra­tor est tou­jours de confi­ner le plas­ma en com­bus­tion grâce à un champ magné­tique intense. Ils sont consi­dé­ra­ble­ment plus com­plexes à construire (néces­si­tant des bobines de champ magné­tique défor­mées), mais bien plus simples à uti­li­ser une fois que le plas­ma y est confiné.

Une der­nière grande voie pour par­ve­nir à la fusion nucléaire est en cours d’exploration : le confi­ne­ment iner­tiel. Cette fois, il n’y a plus de champ magné­tique pour conte­nir le plas­ma, mais des impul­sions (élec­triques ou laser) pour com­pri­mer une bille de com­bus­tible à des pres­sions et des tem­pé­ra­tures per­met­tant d’amorcer les réac­tions nucléaires. À la dif­fé­rence du confi­ne­ment magné­tique, qui uti­lise des plas­mas de faible den­si­té, mais des temps de réac­tion très longs (actuel­le­ment de l’ordre de la minute), le confi­ne­ment iner­tiel fonc­tionne sur le prin­cipe oppo­sé : obte­nir des den­si­tés extrê­me­ment éle­vées pen­dant des temps très courts (de l’ordre de la nano­se­conde, voire moins).

Depuis 2015, le sec­teur pri­vé s’intéresse lui aus­si beau­coup (et de plus en plus) à ce domaine de la fusion nucléaire contrô­lée, et ce pour plu­sieurs rai­sons. Cli­ma­tique, tout d’abord. En effet, la fusion nucléaire fait par­tie des éner­gies dites « décar­bo­nées ». Fusion­ner deux iso­topes de l’hydrogène (le deu­té­rium et le tri­tium) pro­duit de l’hélium. Il ne s’agit pas de com­bus­tion, et il n’y a pas d’émission de CO₂ dans cette réac­tion. Cela per­met de s’inscrire dans les inves­tis­se­ments favo­ri­sant les tech­no­lo­gies pour le climat. 

L’autre rai­son est tech­no­lo­gique. Le pro­jet ITER porte en lui toute la pro­messe d’une pro­duc­tion d’énergie propre sur laquelle misent les pro­jets pri­vés. De plus, de nou­veaux maté­riaux et de nou­velles tech­no­lo­gies (rubans supra­con­duc­teurs, lasers, algo­rithmes de cal­cul…) per­mettent d’envisager de construire de petits réac­teurs expé­ri­men­taux à moindre coût. Enfin, bien sûr, la pro­messe d’un inves­tis­se­ment ris­qué, mais extrê­me­ment ren­table s’il réus­sit, incite cer­taines entre­prises à ten­ter l’aventure. Ces entre­prises sont d’ailleurs  sou­vent sou­te­nues par des fonds d’investissement, des mécènes (Bill Gates, Jeff Bezos) et quelques finan­ce­ments publics issus de col­la­bo­ra­tions avec de grands labo­ra­toires de recherche nationaux.

Il existe désor­mais plus de 30 entre­prises pri­vées de fusion dans le monde, selon une enquête réa­li­sée en octobre par la Fusion Indus­try Asso­cia­tion (FIA) à Washing­ton DC, qui repré­sente les entre­prises du sec­teur. Les 18 entre­prises, ayant décla­ré leur finan­ce­ment, affirment avoir atti­ré plus de 2,4 mil­liards de dol­lars au total – presque entiè­re­ment issus d’in­ves­tis­se­ments privés.

Faute d’équipes de recherches aus­si grosses que pour les pro­jets publics, la solu­tion consiste sou­vent à rem­pla­cer la taille par l’astuce, et à tes­ter des voies ori­gi­nales qui n’ont pas encore été tes­tées. Là encore, il s’agit d’une tac­tique à haut risque, mais dont les retom­bées pour­raient être extrê­me­ment éle­vées en cas de succès.

Citons par exemple Gene­ral Fusion, avec son concept de sphère recou­verte de pis­tons dans laquelle un mélange deu­té­rium-tri­tium est injec­té avant que les pis­tons ne pro­duisent une onde de choc qui com­prime le plas­ma et est cen­sée pro­duire les condi­tions de pres­sion et de tem­pé­ra­ture néces­saire à la fusion. CFS (Com­mon­weath Fusion Sys­tems) s’appuie sur le déve­lop­pe­ment de nou­veaux aimants supra­con­duc­teurs à haute tem­pé­ra­ture pour construire SPARC, un toka­mak com­pact dont le ren­de­ment devrait atteindre 2. CFS annon­çait en sep­tembre 2021 que leur nou­vel aimant supra haute tem­pé­ra­ture avait atteint une inten­si­té de 20 Tes­las. La fin de la construc­tion est pré­vue pour 2025.

Citons éga­le­ment Helion Ener­gy qui, plu­tôt que de cher­cher à pro­duire de l’électricité en fai­sant tour­ner des tur­bines grâce à la cha­leur géné­rée par la réac­tion au cœur d’un toka­mak, pro­pose de pro­duire cette élec­tri­ci­té direc­te­ment par induc­tion dans des bobines élec­triques qui entourent le réacteur.

Enfin, First Light Fusion est une entre­prise issue de l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni. Elle pour­suit une stra­té­gie dif­fé­rente : le confi­ne­ment iner­tiel dont nous avons par­lé plus haut. Ici, le plas­ma de fusion n’est pas rete­nu par des champs magné­tiques. Au lieu de cela, une onde de choc le com­prime aux immenses den­si­tés néces­saires à la fusion. Mais chez First Light, l’onde de choc de com­pres­sion n’est pas créée par des lasers, très gour­mands en éner­gie, mais en uti­li­sant un pis­to­let élec­tro­ma­gné­tique qui tire un pro­jec­tile dans une cible conte­nant les iso­topes de l’hy­dro­gène. La socié­té garde secrets les détails du pro­ces­sus, mais a décla­ré que pour réa­li­ser la fusion, elle devra tirer ce pro­jec­tile à 50 kilo­mètres par seconde, soit deux fois plus rapi­de­ment que ce qui est géné­ra­le­ment appli­qué dans les expé­riences actuelles sur les ondes de choc.

Ces entre­prises pri­vées qui s’aventurent dans l’un des domaines les plus poin­tus de la science et de la tech­no­lo­gie réus­si­ront-elles là où les plus grandes col­la­bo­ra­tions inter­na­tio­nales avancent pas à pas ? Rien n’est moins cer­tain. Mais une chose est sûre : les pro­chaines décen­nies vont être très inté­res­santes à vivre…