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La fusion nucléaire dans tous ses états

ITER et le contrôle du plasma : où en est-on ?

Le 6 septembre 2022 |
5 min. de lecture
Pascale Hennequin
Pascale Hennequin
directrice de recherche au CNRS et responsable de l’équipe « Plasmas de fusion magnétique » au laboratoire de physique des plasmas de l’École polytechnique (IP Paris)
En bref
  • La fusion nucléaire est une source d'énergie potentielle qui ne produit ni gaz à effet de serre, ni éléments fissiles ou hautement radioactifs à longue durée de vie.
  • Le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) est un réacteur expérimental à fusion nucléaire né d'une collaboration internationale à long terme entre 34 pays, mais les premiers plasmas ne seront pas obtenus avant 2027.
  • Le dispositif utilisé, appelé tokamak, doit maintenir des densités relativement élevées d'ions légers à des températures énormes (~100 millions de °C) pendant une durée suffisamment longue grâce à des champs magnétiques intenses.
  • ITER est essentiel pour la communauté, car c'est le seul endroit où il sera possible de tester de manière intégrée tous les problèmes liés à la production d'énergie de fusion.
  • L'ensemble de la communauté travaille à faire progresser les questions scientifiques et techniques qui pourraient rendre l'énergie de fusion disponible dans la seconde moitié du siècle.
  • Un nombre croissant de ces avancées implique des start-ups et des initiatives privées qui signalent sans aucun doute la maturité croissante du domaine.

La piste de la fusion nucléaire, explorée notam­ment dans le cadre du pro­jet ITER à Cadarache (« Inter­na­tion­al ther­mon­culear exper­i­men­tal reac­tor », en anglais), est riche de promess­es. C’est un défi sci­en­tifique et tech­nologique à l’hori­zon de plusieurs décen­nies. L’un des enjeux les plus impor­tants est de créer et main­tenir le plas­ma, milieu peu­plé de par­tic­ules chargées énergé­tiques, à 150 mil­lions de degrés Cel­sius pour entretenir les réac­tions de fusion.

Le plas­ma, con­sid­éré comme le « qua­trième état de la matière » (après le solide, le liq­uide et le gaz), est par­fois décrit comme une « soupe d’électrons et d’ions ». L’état de plas­ma est très répan­du dans l’univers. On peut l’observer, par exem­ple, dans les aurores boréales ou l’ionosphère : le bom­barde­ment de par­tic­ules provenant du vent solaire où les ray­on­nements solaires arrachent les élec­trons des atom­es ou molécules de la très haute atmo­sphère, provo­quant l’ionisation. L’ionosphère est un milieu dilué, par­tielle­ment ion­isé, où les élec­trons peu­vent être assez énergé­tiques, mais où les ions, atom­es ou molécules demeurent assez froids ; les effets col­lec­tifs pro­pres aux plas­mas y sont déjà à l’œuvre. 

Autre plas­ma aux con­di­tions rad­i­cale­ment dif­férentes, celui qui se trou­ve au cœur du soleil ou des étoiles : la matière entière­ment ion­isée atteint des tem­péra­tures de l’ordre de la dizaine de mil­lions de degrés, ce qui per­met aux élé­ments légers, comme l’hy­drogène, de fusion­ner pour for­mer des atom­es plus lourds. Le proces­sus de fusion demande beau­coup d’énergie, et il en pro­duit encore davan­tage. C’est ce proces­sus que l’on espère repro­duire quand on par­le d’« énergie de fusion ».

ITER : un réacteur expérimental

Le pro­jet ITER con­siste pré­cisé­ment à expéri­menter la pro­duc­tion d’énergie par fusion d’isotopes de l’hydrogène (même charge, mais de masse dif­férente), le deutéri­um et le tri­tium, pour don­ner de l’hélium. Le dis­posi­tif util­isé s’appelle un toka­mak (acronyme russe de « cham­bre toroï­dale avec bobines mag­né­tiques » !). Son principe, dévelop­pé en Union sovié­tique dans les années 1950–1960, est basé sur le con­fine­ment mag­né­tique des par­tic­ules chargées du plasma.

ITER, réac­teur expéri­men­tal fruit d’une col­lab­o­ra­tion inter­na­tionale sans précé­dent (34 pays), actuelle­ment en con­struc­tion à Cadarache, au nord de Mar­seille, est l’étape de démon­stra­tion atten­due après un demi-siè­cle de recherche. Le cœur d’ITER est un toka­mak géant de près de 30 m de haut.

ITER, réac­teur expéri­men­tal fruit d’une col­lab­o­ra­tion inter­na­tionale sans précé­dent (34 pays), est l’étape de démon­stra­tion atten­due après un demi-siè­cle de recherche.

Pour que la fusion se pro­duise, les noy­aux doivent entr­er en col­li­sion assez rapi­de­ment pour sur­mon­ter leur répul­sion coulom­bi­enne et assez sou­vent pour que le proces­sus soit auto-entretenu. Un toka­mak doit donc main­tenir des den­sités rel­a­tive­ment élevées d’ions légers à des tem­péra­tures énormes – env­i­ron 100 mil­lions de degrés – pen­dant un temps suff­isam­ment long. 

Con­traire­ment à la fis­sion d’atomes lourds, où les pro­duits de la réac­tion provo­quent eux-mêmes d’autres réac­tions, il n’y a pas de médi­a­teur de la réac­tion de fusion et donc pas de réac­tion en chaîne. C’est pré­cisé­ment l’ab­sence de pos­si­bil­ité d’emballement de la réac­tion dans un réac­teur à fusion qui rend la fusion beau­coup plus attrayante que la fis­sion. De plus, la fusion ne pro­duit pas de gaz à effet de serre, ni d’éléments fis­sile ou haute­ment radioac­t­if à vie longue (cepen­dant les matéri­aux de l’intérieur du réac­teur seront activés, mais à vie courte) ; son com­bustible existe en abon­dance (le deutéri­um existe dans l’eau, à rai­son de 33g par m3, et peut être facile­ment extrait par élec­trol­yse ; le tri­tium peut être pro­duit dans le réac­teur de fusion à par­tir du lithi­um, lui-même abon­dant sur Terre).

Des champs magnétiques intenses

Comme il n’est pas pos­si­ble de con­tenir un plas­ma aux con­di­tions ther­monu­cléaires (150 mil­lions de degrés) dans une enceinte matérielle ordi­naire, on utilise des champs mag­né­tiques intens­es (de l’ordre de 5 à 10 T) pour isol­er les par­tic­ules chargées du plas­ma de la cham­bre qui les con­tient. La con­fig­u­ra­tion toka­mak, qui a don­né les meilleures per­for­mances, com­bine 3 sys­tèmes de bobines pour génér­er une « cage » mag­né­tique en forme de tore dans laque­lle les par­tic­ules chargées cir­cu­lent en restant confinées. 

Com­ment chauf­fer ce plas­ma jusqu’à ini­ti­er les réac­tions de fusion ? Plusieurs options :  le chauffage par radiofréquence (des micro-ondes, pour sim­pli­fi­er) ; le chauffage par col­li­sions, en injec­tant des ions d’hydrogène portés à haute énergie par un accéléra­teur; la ques­tion étant de par­venir à neu­tralis­er ces ions énergé­tiques pour qu’ils puis­sent pénétr­er dans le toka­mak (si « rien » ne sort, rien ne ren­tre non plus). 

Com­ment main­tenir le plas­ma à ces très hautes tem­péra­tures pour que le proces­sus s’entretienne ? Il faut d’une part garan­tir la « sta­bil­ité » du plas­ma, pour éviter que des insta­bil­ités à grande échelle ne vien­nent per­dre le plas­ma sur les parois, à l’im­age des grandes arch­es qui se dévelop­pent à la sur­face du soleil et qui éjectent la matière nous arrivant sous forme de vent solaire. Car, dans le plas­ma très chaud – un état de la matière par déf­i­ni­tion hors équili­bre ther­mo­dy­namique, peu­vent se dévelop­per des insta­bil­ités, ou de la turbulence. 

La grande taille d’ITER résulte d’ailleurs du fait que l’agitation tur­bu­lente aug­mente la dif­fu­sion col­li­sion­nelle à tra­vers les lignes de champ mag­né­tique : les vor­tex de dif­férentes tailles brassent la matière et mélan­gent le cœur plus chaud avec le bord plus froid ; il faut plus de « couch­es » isolantes pour garder la chaleur au cœur du plas­ma. Nous tra­vail­lons à la fois à dévelop­per des out­ils d’observation, dans des con­di­tions encore jamais expéri­men­tées, pour com­pren­dre et mod­élis­er ces phénomènes et pour opti­miser le con­trôle de la turbulence. 

D’autres techniques de confinement ?

Rien qu’on puisse réalis­er dans son garage… comme le lais­seraient penser cer­taines annonces fan­tai­sistes sur la fusion. D’autres con­fig­u­ra­tions mag­né­tiques exis­tent, comme, par exem­ple, le « steller­a­tor », dévelop­pé entre autres par l’Institut Max-Planck, en Allemagne. 

La dif­férence porte prin­ci­pale­ment sur la façon de pro­duire la struc­ture mag­né­tique com­plexe (lignes de champ enroulées sur des tores emboîtés) : dans le cas du steller­a­tor, ce sont les bobines, de con­cep­tion extrême­ment com­plexe, qui génèrent directe­ment et « en con­tinu » la struc­ture mag­né­tique ; dans le cas du toka­mak, c’est la com­po­si­tion du champ pro­duit par les bobines et du champ pro­duit par un courant, qui sera main­tenu pen­dant une dizaine de min­utes sur ITER et devra donc être cyclique. 

Il est dif­fi­cile pour le moment de prédire quelle con­fig­u­ra­tion sera la plus per­for­mante en ter­mes de qual­ité du con­fine­ment, celle-ci restant étroite­ment liée à la taille du dis­posi­tif, et en ter­mes de via­bil­ité économique.

ITER : un projet à très long terme 

Lancé au milieu des années 1980, les pre­miers plas­mas ne seront pas obtenus avant 2027. Cepen­dant, toute la com­mu­nauté est mobil­isée pour avancer, en par­al­lèle de la pré­pa­ra­tion d’ITER, sur les ques­tions sci­en­tifiques, mais aus­si tech­niques qui pour­raient per­me­t­tre de ren­dre disponible l’énergie de fusion dans la sec­onde moitié du siè­cle. Le toka­mak européen JET, le plus grand actuelle­ment en fonc­tion­nement, a récem­ment bat­tu les records pour l’énergie de fusion pro­duite (59 MJ dans un plas­ma cible réal­iste deutéri­um-tri­tium), ce qui con­stitue une excel­lente pré­pa­ra­tion à l’opération d’ITER. Des champs mag­né­tiques très intens­es (20 T) ont été obtenus avec des bobines de type toka­mak util­isant des supra­con­duc­teurs haute tem­péra­ture, ouvrant la voie à des dis­posi­tifs plus petits et plus per­for­mants, donc plus économiques. De plus en plus de ces avancées impliquent des start-ups et des ini­tia­tives privées qui sig­na­lent sans doute la matu­rité crois­sante du domaine. ITER reste essen­tiel pour la com­mu­nauté, car ce n’est que là qu’il sera pos­si­ble de tester de façon inté­grée l’ensemble des prob­lé­ma­tiques liées à la pro­duc­tion d’énergie de fusion.