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

Pierre Henriquet
Pierre Henriquet
docteur en physique nucléaire
En bref
  • La fusion nucléaire fait partie des énergies dites « décarbonées ». Fusionner deux isotopes de l’hydrogène produit de l’hélium. Il ne s’agit pas de combustion, et il n’y a pas d’émission de CO2 dans cette réaction.
  • Le tokamak est une technologie qui permet de confiner le plasma grâce à des champs magnétiques, dans une vaste enceinte torique où la fusion nucléaire peut avoir lieu.
  • Le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en cours de construction à Cadarache (France), fait partie de la 2ème génération de prototypes de tokamak.
  • Nombreuses start-up se sont lancées dans cette aventure. L’investissement dans ce type d’énergie ne se limitant plus au public, les avancées techniques sont ainsi prometteuses pour la suite.

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.

Exemple d’un généra­teur à fusion nucléaire

Les gros projets internationaux

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 2ème 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.

Sché­ma de l’intégration finale du pro­to­type de toka­mak ITER

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).

Z‑Machine, lab­o­ra­toires de San­dia – Nou­veau Mexique

Les petits projets privés

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.

Investisse­ments privés pour la fusion nucléaire de 2000 à 2020 ©Greg de Temmerman

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…

Auteurs

Pierre Henriquet

Pierre Henriquet

docteur en physique nucléaire

Après un doctorat en Physique Nucléaire appliquée à la Médecine et un diplôme universitaire en Astronomie/Astrophysique, Pierre Henriquet a travaillé pendant 10 ans au Planétarium de la ville de Vaulx-en-Velin où il a perfectionné ses talents de vulgarisateur auprès de multiples publics, novices ou spécialisés. Aujourd'hui, il propose ses services de rédaction et de médiation des sciences en freelance.