Pouvons-nous faire fonctionner la fusion ? Une analyse réaliste au-delà des grandes promesses

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Mis à jour le: 14 Déc 2020

Dans le cœur du soleil, la fusion se produit sous une pression intense et avec des températures de 15 000 000 °C . Pouvons-nous vraiment créer de telles conditions sur Terre ? Il s’avère que oui !

Image of Terrou soudant un soleil

Terrou soudant un soleil

Il existe plusieurs types de réacteurs à fusion, et de nombreuses entreprises et laboratoires y travaillent . Il y a aussi des propositions pour utiliser des carburants autres que le tritium et le deutérium . Pour garder cet article relativement court tout en entrant dans un certain niveau de détail, nous ne couvrirons que le type de réacteur qui est en tête de la course en 2020 : le tokamak . Pour explorer d’autres types, lis le chapitre « Problématiques non résolues » !

Les 3 folles exigences pour la fusion

L’objectif est clair : pour réussir à fusionner le deutérium et le tritium, il faut que leurs noyaux se touchent tout en utilisant moins d’énergie que la réaction de fusion ne produit.

Exigence 1 : Création du plasma. Pour que les noyaux d’atomes se touchent, nous devons d’abord séparer les atomes de leurs électrons. Pour ce faire, il faut chauffer le mélange à plus de 100 000 000 °C . Les électrons et les noyaux qui en résultent flottent librement et forment un plasma . Comme le solide, le liquide et le gaz, le plasma n’est qu’un autre état de la matière :

Image of Le plasma : Le 4ème état de la matière

Le plasma : Le 4ème état de la matière

Exigence 2 : Densité. La densité décrit le nombre de particules contenues dans un volume donné. Dans le cas de la fusion, nous voulons faire entrer beaucoup de deutérium et de tritium dans le réacteur à fusion .

Exigence 3 : Confinement ?. Où allons-nous stocker ce plasma extrêmement chaud et fortement pressurisé ? Nous avons besoin d’un conteneur spécial qui puisse résister à ces conditions pendant une période relativement longue . Le temps pendant lequel nous pouvons confiner cette énergie a augmenté rapidement ces dernières années, passant de 30 secondes en 2013  à 101,2 secondes en 2017 (toujours le record en 2020) .

Image of Les exigences de la fusion

Les exigences de la fusion

Quand est-ce qu’un réacteur à fusion est suffisamment bon ?

Il y a deux grands objectifs dans la recherche et l’ingénierie de la fusion :

  1. La réussite scientifique : Les réacteurs produisent plus d’énergie qu’ils n’en ont besoin pour fonctionner
  2. De l’énergie à bas prix : Les coûts sont suffisamment bas et les rendements suffisamment élevés pour que l’énergie soit vendue à bas prix

Jusqu’à présent, nous n’avons même pas atteint le premier objectif .

Le ratio entre l’énergie d’entrée et l’énergie de sortie est souvent appelé « Q » .

Image of Production nette d’énergie de fusion

Production nette d’énergie de fusion

Afin d’augmenter Q, nous pouvons faire deux choses :

  1. Utiliser moins d’énergie
  2. Produire plus d’énergie

Il se trouve que ces deux choses sont intimement liées. Comme il y a de plus en plus de réactions de fusion (c’est-à-dire, nous produisons plus d’énergie), le plasma se chauffe de plus en plus. Cela signifie que nous n’avons pas besoin de continuer à investir autant d’énergie pour le chauffer . À un moment, il pourrait même continuer sans aucune entrée de chaleur externe !

Au cours des 60 dernières années, les chercheurs ont travaillé sur de nombreuses méthodes différentes pour atteindre le résultat souhaité . Malheureusement, presque tous ces modèles sont bloqués à des valeurs de Q entre 0,0001 et 0,000001 . Cependant, il y a un type (appelé « tokamak ») qui a atteint Q=0,65 .

Voyons comment il fonctionne !

« Tokamak » : le donut de la fusion

Image of Tokamak : du deutérium à l’électricité

Tokamak : du deutérium à l’électricité

Souviens-toi de nos trois problèmes :

  1. Le plasma doit être chauffé à environ 100 000 000 °C  .
  2. La densité .
  3. Le confinement du plasma doit durer de quelques secondes à quelques minutes .

Le tokamak satisfait simultanément aux exigences de confinement et de densité en utilisant des champs magnétiques puissants . Ces champs magnétiques forcent les électrons chargés négativement et les noyaux chargés positivement à se déplacer sur une trajectoire ayant la forme d’un donut. Des aimants entourent le plasma, et de ce fait, créent une haute pression qui augmente la densité du plasma .

Respire profondément. Détends-toi et assure-toi d’avoir compris ce dont on a parlé jusqu’à présent. Car maintenant nous allons aborder certains des problèmes sur lesquels les chercheurs en fusion nucléaire travaillent actuellement.

Image of Un donut d’énergie !

Un donut d’énergie !

D’où viennent le deutérium et le tritium ?

Le deutérium est abondant et facile à trouver : il se trouve dans l’eau de l’océan . Cependant, la nature ne produit que quelques kilos de tritium chaque année et les « usines de tritium » n’existent pas . Les expériences de fusion d’aujourd’hui l’obtiennent souvent des centrales nucléaires de fission, où le tritium est produit en tant que déchet radioactif . Mais où allons-nous l’obtenir si nous cessons d’utiliser des réacteurs à fission ?

Heureusement, il y a un moyen pour les réacteurs à fusion de générer leur propre tritium . En théorie, nous pourrions réutiliser ce neutron supplémentaire pour faire plus de tritium à partir du deutérium ! La réaction complète utilise le deutérium (1p1n) et le lithium-6 (3p6n) comme intrants pour produire de l’hélium :

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Production de tritium

L’utilisation du lithium-6 pour produire du tritium introduit en fait plus d’énergie au système . Dans la pratique, ceci est très difficile à faire et constitue l’un des domaines actifs de recherche et d’incertitude dans l’énergie de fusion.

Comment pouvons-nous obtenir de l’énergie à partir d’un tokamak ?!

Jusqu’ici, tout va bien. Nous avons du deutérium et du tritium, nous pouvons les chauffer et provoquer la fusion. Mais comment obtenons-nous de l’énergie ?

Souviens-toi, les neutrons n’ont pas de charge. Les champs magnétiques interagissent seulement avec des particules chargées. Ceci veut dire que le champ magnétique, aussi fort soit-il, ne peut pas contenir les neutrons rapides issus des réactions de fusion.

Ces neutrons rapides sont à la fois l’aspect le plus précieux et le plus fastidieux de la fusion. Précieux car c’est de leur vitesse que nous obtenons l’énergie , et fastidieux parce qu’ils endommagent les murs du réacteur . Comment résoudre ce problème ?

Image of Couverture de production

Couverture de production

Dans le graphique (répété) ci-dessus, tu peux voir une couche appelée couverture entre le plasma et les aimants. Les neutrons rapides sont ralentis à l’intérieur de la couverture et leur énergie cinétique est transférée pour la réchauffer . La couverture chaude, à son tour, est utilisée pour chauffer l’eau, qui fait tourner ensuite une turbine à vapeur (comme le font les centrales de fission nucléaire et les centrales au charbon).

Ceci fonctionne en théorie, mais dans la pratique, il est difficile de construire une couverture efficace et résistante aux dégâts causés par les neutrons rapides .

Comment améliorer les tokamaks ?

En dehors des problèmes concernant les couvertures, nous n’avons toujours pas atteint Q > 1. Il y a deux variables particulièrement importantes dans un réacteur de fusion que nous pouvons contrôler pour influencer la quantité d’énergie libérée dans un réacteur à fusion :

  1. R : Le rayon du tokamak
  2. B : La puissance du champ magnétique

Alors, quelle taille les réacteurs doivent-ils avoir pour atteindre des valeurs Q raisonnables ? ITER est la plus grande expérience scientifique internationale de tous les temps qui vise à atteindre Q=10. Quelle est la taille du réacteur ITER ?

Image of Le réacteur ITER

Le réacteur ITER

Peux-tu voir la personne en bas de l’image ? Cette chose est ÉNORME.

En raison de sa taille, ITER a coûté des dizaines de milliards de dollars, et prendra des décennies à construire . Tu te souviens du graphique Q d’avant ? Tu te demandes pourquoi il s’est arrêté ? Maintenant tu le sais ! Les réacteurs sont devenus trop grands, ce qui signifie qu’ils prennent trop de temps pour être construits.

Image of La fusion au cours du temps

La fusion au cours du temps

Le nombre sur l’axe des y ici, est ce que l’on appelle le « triple produit de fusion ». C’est un indicateur approximatif de l’énergie qu’un réacteur de fusion produit et est défini comme le produit des trois attributs clés de tout réacteur de fusion :

Image of Le triple produit de fusion

Le triple produit de fusion

ITER est une expérience scientifique, pas un réacteur commercial . Un réacteur commercial devrait probablement être encore plus grand . Évidemment, augmenter le rayon (R) n’est pas prometteur. Qu’en est-il de la force du champ magnétique (B) ?

Est-ce que des aimants plus puissants pourraient rendre les réacteurs plus petits et moins chers ?

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ITER vs ARC

Activer un champ magnétique nous oblige à faire passer un courant à travers les bobines électromagnétiques du tokamak. Dans la plupart des matériaux, le courant consomme de l’énergie, parce qu’une partie de l’électricité est perdue sous forme de chaleur à cause de la résistance . Cependant, certains matériaux, appelés supraconducteurs, ont la capacité de laisser passer un courant sans perdre de chaleur car il n’y a aucune résistance au courant .

Des travaux récents sur un type d’aimant supraconducteur appelé REBCO (à base d’oxyde de baryum, de cuivre et de terres rares) ont permis de quasi doubler la force du champ magnétique, « B » ! Le facteur limitant est maintenant la durabilité de l’acier et du béton tenant tout ensemble - à pleine puissance, les aimants casseraient le réacteur .

L’utilisation d’aimants REBCO est probablement une étape essentielle sur le chemin vers des réacteurs à fusion abordables avec Q > 1 .

Fait important : ITER utilise toujours les vieux supraconducteurs plus fragiles .

Conclusion

La fusion a toujours été une « technologie du futur », mais nous nous approchons vraiment de Q=1 .

Les entreprises privées et les laboratoires universitaires travaillent actuellement à l’intégration des aimants REBCO dans les réacteurs de fusion Tokamak . Leur progrès sera un indicateur déterminant pour le potentiel de la fusion , mais obtenir Q > 1 n’est pas le seul problème de la recherche dans le domaine de la fusion.

Il y a beaucoup de problématiques non résolues dans la technologie de la couverture, la production de tritium et la protection des réacteurs . Néanmoins, dans les décennies à venir, nous verrons probablement si la fusion peut être la source d’énergie propre et abondante que nous espérons qu’elle deviendra.

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