L’Usine Nouvelle.- Mardi 17 août, le National Ignition Facility (NIF) a annoncé s’être rapproché comme jamais du seuil d’ignition de la fusion nucléaire via un système à confinement inertiel. Est-ce important ?
Greg De Temmerman.- Pour rappel, la fusion nucléaire consiste à transformer deux atomes légers (généralement des isotopes de l’hydrogène) en un atome plus lourd pour dégager de l’énergie. Pour cela, il faut chauffer un milieu à plus de 150 millions de degrés, ce qui nécessite énormément d’énergie. L’objectif est donc qu’un réacteur génère plus d’énergie qu’il n’en consomme. Jusqu’à présent, le record était détenu par le tokamak JET, en Angleterre, qui est parvenu à produire 70% de l’énergie injectée dans le plasma (le gaz très chaud). De son côté, le NIF a été mis en opération pour démontrer une autre technologie : la fusion inertielle. Celle-ci utilise des lasers très puissants qui chauffent une cible millimétrique pour provoquer la fusion. C’est une opération difficile, et les chercheurs sont parvenus cet été à dégager une énergie de fusion de l’ordre de 70% de celle induite par les lasers.
La France a fait le choix du confinement magnétique (via un tokamak) dans le cadre du projet ITER, qui se construit sur le site de Cadarache. Quels sont ses atouts par rapport au confinement inertiel ?
Les deux approches sont basées sur le même constat : pour que la fusion nucléaire génère de l’énergie, il faut que le produit de la densité du mélange, de sa température et du temps de confinement soit supérieure à une certaine valeur, fixe. On peut jouer sur ces différents paramètres. Le confinement inertiel choisit une densité très élevée, mais des temps de confinement très courts, de l’ordre du milliardième de seconde. La fusion magnétique fait l’inverse : elle travaille des gaz à très faible densité mais avec des temps de confinement de l’ordre de la seconde. Cela nécessite de confiner le plasma, un mélange très chaud auquel la plupart des matériaux ne résisteraient pas. Ce pourquoi on utilise des tokamaks : des appareils de la forme d’un tore [une figure géométrique semblable à un donut, ndlr.] et utilisant des champs magnétiques très puissants pour confiner le plasma. C’est un domaine recherché depuis les années 1960 en Russie, bien mieux compris que les lasers, qui sont particulièrement sensibles.
Jan Schoelzel Physicien, Greg de Temmerman a longtemps exploré la fusion nucléaire, et a notamment été coordinateur scientifique au sein du projet ITER jusque fin 2020 (crédits photo : Jan Schoelzel)
Entre les progrès du NIF et les avancées d'ITER, la fusion est-elle pour bientôt ?
La blague dans le domaine, c’est de dire que la fusion est pour dans 20 ans et qu’elle le sera toujours. Si on prend la question au sérieux, il faut distinguer les initiatives publiques, comme ITER ou le NIF, et les initiatives privées. Le NIF a commencé avec un agenda très ambitieux et a rencontré plusieurs obstacles. De son côté, ITER - une machine très grosse et chère à construire - a aussi pris du retard, et prévoit le début des opérations [qui ne produiront pas d’électricité mais seulement un plasma positif en énergie, .ndlr] pour 2025-2026 avant d’arriver à pleine puissance autour de 2035. L’Europe prévoit ensuite un démonstrateur connecté à la grille électrique, DEMO, autour de 2050.
De nombreux acteurs privés veulent aller plus vite. Rien que cet été, la start-up américaine Commonwealth Fusion présentait un nouvel aimant censé rendre la fusion plus simple, tandis que la canadienne General Fusion a commencé les démarches pour construire un prototype en Angleterre d’ici 2025…
Les start-up dans la fusion ne sont pas nouvelles. La première, TAE, date de 1998 et travaille encore sur le sujet. Elle a déjà levé un milliard de dollars et espère un réacteur pour 2030. Mais il faut comprendre qu’ITER est un gros projet, au sein duquel il est plus difficile d’intégrer des progrès technologiques au fur et à mesure. Ainsi, il utilise notamment des aimants refroidis à -269°C, dont le champ magnétique maximal est limité alors qu’il existe désormais des aimants supraconducteurs à haute température. C’est ce que propose Commonwealth Fusion Systems (CFS), dont les nouveaux aimants sont deux fois plus puissants, ce qui permettrait de générer en théorie 16 fois plus d’énergie pour une taille de machine donnée. Cette avancée permet aussi de proposer des conceptions plus petites, donc des constructions plus rapides… Aujourd’hui, une trentaine de start-up dans le monde (dont la majorité aux Etats-Unis) travaillent sur la fusion, avec un passage de la recherche académique à celle financée par le capital-risque. Démontrer un gain de fusion d’ici 2025 est tenable, mais je suis plus sceptique quant à l’apparition d’un réacteur complet dans les prochaines années.
Comment expliquer ce regain d’intérêt de la part des acteurs privés ?
Il y a d’abord la frustration de ceux qui trouvent que la fusion prend trop de temps. Ensuite, il y a l’urgence climatique, que toutes les start-up mentionnent. La fusion permettrait de répondre au besoin d’une source pilotable et bas carbone, et se pose en alternative à la fission nucléaire. D’autant que le combustible est abondant - on trouve le deutérium naturellement dans l’eau de mer et le tritium devra être produit directement dans le réacteur en utilisant du lithium (une technologie qui doit encore être démontrée à l'échelle) - et que la fusion ne génère pas de déchets de haute-activité à vie-longue ni de risque d’emballement. Enfin, beaucoup de capitaux sont disponibles, donc les investisseurs se permettent des paris à risque élevé mais qui pourraient rapporter.
le changement climatique nécessite de déployer rapidement des technologies existantes, la fusion devrait arriver dans un système énergétique déjà largement décarboné.
Doit-on conclure qu’avec la lenteur d’ITER, la France se met en marge de cette course ?
Il existe une start-up française : Renaissance Fusion, qui se base sur le principe du stellarator [un design de confinement du plasma entièrement dépendant d’aimants externes, plus complexe que les tokamaks, ndlr.]. Il y a une possibilité qu’une initiative privée montre un gain supérieur à 1 avant ITER, mais c’est moins sûr pour la production d’électricité. ITER reste la voie la plus sûre : la masse de recherches effectuées fait qu’il est très probable que le réacteur fonctionne. Là où les tentatives des start-up sont parfois basées sur des extrapolations moins certaines. Avec des concepts jamais expérimentés, comme le mix fusion inertielle-magnétique utilisant des pistons pour comprimer le plasma proposé par General Fusion. Il faut aussi prendre en compte les acteurs publics : le projet STEP (Spherical tokamak for electricity production), en Angleterre, vise à produire de l’électricité en 2040. La Chine, partenaire d’ITER, développe aussi le programme CFETR (China fusion engineering test reactor) qui a le même objectif.
La fusion peut-elle nous aider dans la lutte contre le réchauffement climatique ?
Historiquement, le solaire, l’éolien ou le nucléaire se sont déployés avec des vitesses similaires, permettant de multiplier par dix les capacités installées en une décennie. Si on admet que la fusion suivra la même tendance, et que l’on fait un choix volontariste en imaginant un réacteur opérationnel en 2035, alors la fusion pourra répondre à 1% de la demande énergétique mondiale dans les années 2050-2060. Si on suit plutôt le calendrier européen, ce sera 1% en 2080… Si la fusion parvient à être assez rapide pour remplacer quelques centrales à charbon ou à gaz, tant mieux ! Mais le changement climatique nécessite de déployer rapidement des technologies existantes, la fusion devrait arriver dans un système énergétique déjà largement décarboné.
