Fusion nucléaire : le vrai, le faux et l’incertain

VRAI – La fusion nucléaire peut générer une énergie positive nette dans un cadre limité.

Le Labo­ra­toire natio­nal Law­rence Liver­more – Natio­nal Igni­tion Faci­li­ty (NIF), en Cali­for­nie, l’a prou­vé en 2022 avec son dis­po­si­tif de fusion par allu­mage laser. L’ins­tal­la­tion NIF uti­lise 192 des lasers les plus puis­sants au monde pour envoyer jus­qu’à 4 mil­lions de joules d’éner­gie ultra­vio­lette sur une cible de deu­té­rium et de tritium.

Cette cible fait la taille approxi­ma­tive d’un grain de poivre et elle est sus­pen­due dans un petit « four » à rayons X appe­lé Hohl­raum. Ce der­nier peut atteindre une tem­pé­ra­ture d’en­vi­ron 3 mil­lions de degrés Cel­sius lors­qu’il est tou­ché par ces lasers sur­puis­sants. Cette action fait l’im­plo­ser du com­bus­tible, créant ain­si les condi­tions néces­saires à la fusion nucléaire. Le 5 décembre 2022, le NIF a atteint le gain de cible, ce qui signi­fie que les 2,05 méga­joules d’éner­gie laser déli­vrés sur la cible ont géné­ré 3,15 méga­joules d’éner­gie de fusion. La cible a pro­duit plus d’éner­gie qu’elle n’en a absor­bée. Ce point, appe­lé « allu­mage », a consti­tué une réelle avan­cée scientifique.

FAUX – Cette réaction a créé de l’énergie, mais elle est loin d’être suffisante pour alimenter l’installation.

Dans l’en­semble, ce dis­po­si­tif de fusion par allu­mage laser a subi une perte d’éner­gie nette sub­stan­tielle. Pour don­ner une idée de l’é­chelle, les 1,1 méga­joules d’éner­gie nette de la cible repré­sentent envi­ron 0,306 kWh. À titre de com­pa­rai­son, un foyer aux États-Unis consomme typi­que­ment plus de 3 000 fois cette quan­ti­té d’éner­gie chaque mois. De plus, les scien­ti­fiques du NIF estiment que le fonc­tion­ne­ment de l’ins­tal­la­tion laser du NIF néces­site envi­ron 100 fois plus d’éner­gie que la quan­ti­té d’éner­gie four­nie par le laser à la cible elle-même.

INCERTAIN – On ne sait pas quand ni comment ce point crucial, appelé « gain d’ingénierie », sera atteint.

À ce stade, les ingé­nieurs doivent s’ef­for­cer de rendre ce dis­po­si­tif encore plus effi­cace, afin de s’assurer qu’il pro­duise plus d’éner­gie qu’il n’en consomme. L’un des moyens d’y par­ve­nir serait de réduire la consom­ma­tion d’éner­gie du dis­po­si­tif par rap­port à sa pro­duc­tion, en fabri­quant des com­po­sants moins éner­gi­vores, tels que des lasers ou des supraconducteurs.

Des chan­ge­ments tels que l’a­mé­lio­ra­tion de l’i­so­la­tion ther­mique ou la mise en place de com­mandes IA pour­raient faire fonc­tion­ner les sys­tèmes plus rapi­de­ment qu’un humain, ce qui serait très utile. D’autres gains d’énergie peuvent être réa­li­sés : amé­lio­rer les maté­riaux et les com­po­sants de la machine pour per­mettre au sys­tème de fonc­tion­ner à des niveaux de puis­sance plus éle­vés. Pour ce faire, les ingé­nieurs pour­raient inclure des maté­riaux capables de résis­ter à des tem­pé­ra­tures extrêmes et conce­voir des aimants encore plus puis­sants afin de mieux confi­ner et contrô­ler le plas­ma uti­li­sé dans les réac­tions de fusion. Une autre approche consiste à amé­lio­rer le pro­ces­sus qui cap­ture et conver­tit l’éner­gie de la réac­tion de fusion en électricité.

VRAI – La fusion nucléaire est généralement considérée comme une énergie « propre ».

Elle pro­duit beau­coup moins de « déchets » radio­ac­tifs que la fis­sion. Tou­te­fois, grâce aux tech­no­lo­gies émer­gentes, il est pos­sible de réuti­li­ser les déchets de la fusion et de la fis­sion. Néan­moins, comme les autres fis­sions nucléaires, la fusion nucléaire néces­si­te­ra une sur­veillance appro­priée et com­plète. L’une des prin­ci­pales pré­oc­cu­pa­tions est que la réac­tion pour­rait être uti­li­sée pour pro­duire des matières fos­siles uti­li­sables dans des armes. Les machines de fusion nucléaire et les réac­tions connexes ne pro­duisent pas direc­te­ment de matières utiles pour les armes. La réac­tion crée cepen­dant une énorme quan­ti­té de neutrons.

Le bon côté des choses, c’est que ces neu­trons pour­raient contri­buer à pro­duire davan­tage de com­bus­tible pour la réac­tion de fusion – de nom­breux modèles pré­voient d’in­cor­po­rer une « cou­ver­ture de repro­duc­tion », c’est-à-dire une couche de maté­riaux qui sert d’i­so­lant ther­mique, mais qui est éga­le­ment recou­verte de maté­riaux capables de cap­tu­rer les neu­trons pour créer davan­tage de tritium. 

L’u­ra­nium ou le tho­rium pour­raient éga­le­ment être pla­cés dans cer­taines cou­ver­tures de repro­duc­tion. Le pro­blème est que ces maté­riaux, une fois irra­diés, pour­raient géné­rer de l’u­ra­nium 235 uti­li­sable dans des armes nucléaires. Il existe des moyens phy­siques d’empêcher ce pro­ces­sus, notam­ment en exi­geant l’u­ti­li­sa­tion de lithium‑6 dans les modules de cou­ver­ture. L’AIEA (Agence inter­na­tio­nale de l’énergie ato­mique) aura un rôle pri­mor­dial dans la sur­veillance ain­si que dans la mise en place de garan­ties de non-prolifération.

FAUX – L’énergie de fusion peut être presque illimitée, mais cela ne se traduit pas nécessairement par une énergie inépuisable.

Cer­taines tech­no­lo­gies d’éner­gie de fusion nucléaire en cours de déve­lop­pe­ment pour­raient, théo­ri­que­ment, pro­duire plus de com­bus­tibles qu’elles n’en consomment. Par consé­quent, elles pour­raient être pra­ti­que­ment illi­mi­tées. Mais cela ne signi­fie pas qu’elles four­ni­raient l’éner­gie dont la socié­té a besoin. La plu­part des cher­cheurs s’at­tendent à ce que la construc­tion et l’ex­ploi­ta­tion des pre­mières cen­trales de fusion nucléaire soient très coû­teuses. La ques­tion de savoir si la socié­té serait dis­po­sée à payer pour faire fonc­tion­ner des réac­teurs de fusion dis­pen­dieux dépen­dra de la manière dont la fusion nucléaire s’in­té­gre­ra aux autres sys­tèmes d’éner­gie propre. 

INCERTAIN – On ne sait toujours pas quand la fusion nucléaire commencera à alimenter le monde en énergie.

Adam Stein reste opti­miste que la fusion nucléaire fini­ra par four­nir de l’éner­gie propre, au moins à cer­taines par­ties du monde. Cepen­dant, il est peu pro­bable que cette tech­no­lo­gie soit prête à sou­te­nir entiè­re­ment la tran­si­tion vers l’a­ban­don des com­bus­tibles à base de car­bone. Ce retard pour­rait la désa­van­ta­ger par rap­port à d’autres pro­duits adop­tés très tôt et qui pour­raient être déployés à plus grande échelle. Néan­moins, nous pour­rions assis­ter à une cas­cade d’avancées scien­ti­fiques et tech­no­lo­giques qui accé­lé­re­rait rapi­de­ment les pro­grès de la fusion nucléaire. Il se peut aus­si que nous devions attendre long­temps avant que la pro­chaine avan­cée n’émerge.

VRAI – Les start-ups se disent prêtes à construire des installations pilotes commerciales.

Plu­sieurs start-ups ont annon­cé des calen­driers très ambi­tieux. Helion, par exemple, a pro­mis de com­men­cer à pro­duire de l’éner­gie à par­tir d’une cen­trale de fusion nucléaire d’i­ci 2028¹. Dans son rap­port de 2023, la Fusion Indus­try Asso­cia­tion a consta­té que beau­coup pensent qu’une cen­trale de fusion nucléaire four­ni­ra de l’élec­tri­ci­té au réseau avant 2035².

Les entre­prises spé­cia­li­sées dans la fusion nucléaire ont en effet réa­li­sé des pro­grès ité­ra­tifs et avancent assi­dû­ment vers le suc­cès. Le NIF, qui a prou­vé l’al­lu­mage de la fusion nucléaire, a four­ni des don­nées cru­ciales qui per­met­tront d’orienter les pro­grammes de recherche, en par­ti­cu­lier ceux de fusion par allu­mage laser. Cer­taines entre­prises ont éga­le­ment com­men­cé à uti­li­ser l’IA pour opti­mi­ser leur approche de la fusion nucléaire, et ont mon­tré des résul­tats inté­res­sants. Tou­te­fois, pro­gres­ser n’est pas la même chose que de dis­po­ser d’un pro­duit fini.

FAUX – Aucune star-tup n’a prouvé qu’elle avait atteint le stade de développement nécessaire pour lancer la fusion nucléaire sur le marché à court terme.

Les start-ups doivent encore démon­trer le gain éner­gé­tique net et le gain tech­nique glo­bal de leurs sys­tèmes. Elles doivent éga­le­ment apprendre à faire fonc­tion­ner leur réac­tion de fusion nucléaire à des échelles sus­cep­tibles de géné­rer un pro­fit. Et même si les entre­prises de fusion nucléaire sou­haitent fixer un calen­drier pour la réa­li­sa­tion de ces étapes tech­no­lo­giques, il s’a­git d’avancées scien­ti­fiques et tech­no­lo­giques qui ne peuvent pas être programmées.

INCERTAIN – Il y a aussi une affaire commerciale délicate à résoudre.

La fusion nucléaire reste un inves­tis­se­ment à très haut risque, car la tech­no­lo­gie n’a pas encore fait ses preuves. Ce n’est pas comme inves­tir dans les cel­lules solaires il y a 15 ans, lors­qu’elles avaient déjà un ren­de­ment de 20 %. C’est plu­tôt comme inves­tir dans les cel­lules solaires il y a 40 ans, lors­qu’elles avaient un ren­de­ment de 1 % et que leur déploie­ment était très limité.

Les entre­prises en phase de démar­rage devront construire des ins­tal­la­tions pilotes pour prou­ver leur concept. Il sera pro­ba­ble­ment dif­fi­cile de réunir suf­fi­sam­ment de capi­taux pour construire ces ins­tal­la­tions. Les sta­tions de pre­mière géné­ra­tion seront pro­ba­ble­ment oné­reuses et peu fiables, mais cela fait par­tie de l’innovation.

Cepen­dant, en sup­po­sant que nous nous éloi­gnons des com­bus­tibles fos­siles, que la crois­sance démo­gra­phique aug­mente consi­dé­ra­ble­ment et que la demande d’éner­gie des pays en déve­lop­pe­ment conti­nue de croître, il existe un vaste mar­ché poten­tiel pour toutes les sources d’éner­gie propres à l’avenir.

Marianne Guenot