La fusion nucléaire : les promesses d’une énergie écologique et sûre ?

Florentin Roy - Journaliste spécialisé sur la transition écologique et sociale

Florentin est journaliste spécialisé sur la transition écologique et sociale ainsi que sur ses implications politiques. Passé par les rédactions de Sciences et Avenir et Socialter, il contribue à Youmatter depuis 2022.

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Qu’est-ce que la fusion nucléaire ? Comment fonctionne-t-elle ? Quels sont ses avantages et inconvénients ? Où en est-on ? On fait le point sur cette énergie pleine de promesses, mais aussi d’incertitudes.

Au lendemain de la Seconde Guerre mondiale, les grandes nations industrielles s’affairent au développement d’une énergie semblable au soleil : la fusion nucléaire. Supposée être une alternative à la fission nucléaire, la fusion présenterait de nombreux avantages : bas carbone, plus sûre, moins chère… La fusion est aujourd’hui l’objet de toutes les convoitises, autant pour les États que pour des entreprises privées qui voient dans cette énergie une source d’électricité presque infinie.

Mais cette source d’énergie en est encore au stade de la chimère : la recherche avance, mais sans qu’aucune infrastructure de production viable n’ait pu être construite, et malgré des innovations technologiques majeures, son avènement se fait encore attendre. Alors, qu’est-ce que la fusion nucléaire ? Quels sont ses avantages, ses inconvénients, ses défis ? Qu’est-ce qui bloque encore le développement d’une filière de fusion viable ? On vous explique ça, dans une série de deux articles.

La fusion nucléaire : c’est quoi au juste ?

La fusion nucléaire (ou thermonucléaire), et au même titre que la fission, l’un des procédés techniques capables de produire grâce à des matériaux radioactifs une forte énergie thermique dans le but de produire de l’électricité. On parle de fusion nucléaire car tout le procédé repose sur une réaction physique dans laquelle deux noyaux atomiques fusionnent en un noyau plus lourd. Au moment de cette fusion, une énergie gigantesque est libérée.

C’est cette réaction que l’on retrouve au coeur des étoiles, ou du soleil. Ces astres sont en effet composés pour l’essentiel d’un « plasma » d’hydrogène au sein duquel les atomes fusionnent. Le plasma est un gaz chaud et ionisé, le quatrième état de la matière (au même titre que le solide, le liquide ou le gaz). En temps normal, les atomes légers comme l’hydrogène se repoussent naturellement. Mais lorsqu’ils sont placés dans un environnement favorable comme le plasma, condensés ensemble au centre de l’étoile grâce à la force gravitationnelle et agités par une forte température, de l’ordre de 15 millions de °C pour notre soleil, les particules d’hydrogène entrent en collision et fusionnent.

En fusionnant, les atomes d’hydrogène vont donner naissance à un noyaux plus lourd, mais aussi extrêmement instable. Cette instabilité va alors provoquer l’expulsion d’un neutron, et cette perte de masse, même infime va dégager une quantité gigantesque d’énergie. C’est la célèbre formule d’Einstein, E=mc² : l’énergie est égale à la masse multipliée par le carré de la vitesse de la lumière. Cette énergie déployée lors de la fusion va provoquer la rencontre de nouvelles particules… et ainsi de suite, produisant une énergie croissante tant que les ressources à consumer sont disponibles.

En théorie, la fusion nucléaire est possible sur Terre et pourrait permettre d’alimenter des turbines pour produire une grande quantité d’électricité, sur le même principe que la technologie nucléaire actuelle, la fission. Dans la fusion comme dans la fission nucléaire, la chaleur dégagée fait augmenter la température de l’eau dans un circuit primaire qui vient chauffer un stock d’eau présent dans un circuit secondaire. La vapeur d’eau résultant de cet échange va faire tourner une turbine, qui elle-même entraîne un alternateur pour la production d’électricité.

Dépasser la fission nucléaire : avantages et inconvénients de la fusion

Mais par rapport à la fission nucléaire, la fusion aurait de nombreux avantages. La fission est par exemple critiquée pour ses risques techniques : les accidents nucléaires de Tchernobyl en 1986 ou plus récemment Fukushima en 2011, bien que rares, ont montré que le danger existe. La fission produit aussi des déchets radioactifs, à la fois dangereux et difficiles à gérer. Actuellement, en France, la solution envisagée pour traiter ces déchets est l’enfouissement, sur un site actuellement en construction à Bure (Meuse) sous la direction de l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra). Cigeo, du nom du site d’enfouissement, compte accueillir au total près de 83 000 m³ de déchets radioactifs, mais le projet suscite de nombreuses questions.

La fusion pourrait en théorie éviter ces points d’achoppement en plus de permettre la production de quantités d’énergie encore plus importantes. En théorie jusqu’à quatre fois plus puissante, la fusion serait également plus sécurisée que son homologue. Contrairement à la fission, aucune réaction en chaîne pouvant mener à un accident nucléaire n’est normalement possible. L’équilibre du plasma étant très précaire, il ne suffit en principe que d’une perturbation pour que les réactions s’arrêtent, sans danger.

Si des défaillances techniques sont évidemment possibles, les conséquences sur les populations et l’environnement devraient, d’après un rapport de l’Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire (IRSN), être limitées. Bien plus en tout cas que les conséquences d’un accident nucléaire lié à une centrale à fission.

Concernant les déchets : la fusion et ses infrastructures produisent évidemment des déchets, comme tout système de production. Mais contrairement à la fission, il n’y a pas de rejet de déchets à haute activité radioactive et à vie longue (les plus dangereux). Les déchets les plus préoccupants devraient pouvoir être recyclés dans les 100 ans après exploitation, contre 300 ans à plusieurs milliers d’années pour l’énergie de fission.

L’IRSN souligne cependant la formation de potentiels déchets dû à l’érosion des matériaux composants la couverture interne du réacteur comme le béryllium ou le tungstène, des matériaux toxiques et radioactifs après exploitation. D’autres pollutions sont aussi à prévoir lors du démantèlement des nombreux projets de fusion existants ou des futurs réacteurs nucléaires, compte tenu des matériaux irradiés et de l’ensemble des infrastructures. Mais à priori, le problème devrait être négligeable comparé à ce qu’il est pour la fission.

Faire de la théorie une source d’énergie : les défis de la fusion nucléaire

Malgré ses nombreux avantages théoriques, la fusion nucléaire reste pourtant encore une utopie technique. En effet, récréer les conditions de formation du plasma comme dans le soleil est extrêmement complexe sur Terre, faute de force gravitationnelle assez conséquente.

Pour y arriver, les scientifiques qui travaillent sur la fusion doivent parvenir à faire quatre choses :

  • disposer d’une ressource principale constituée d’atomes légers pour la fusion (par exemple, des isotopes d’hydrogène)
  • parvenir à maintenir une température importante, nécessaire au développement du plasma et à la fusion des atomes,
  • confiner ce plasma pour éviter qu’il ne se disperse,
  • et enfin faire en sorte que la densité soit suffisamment importante pour augmenter la probabilité de collisions entre les atomes

Deux isotopes de l’hydrogène ont été identifiés comme les éléments les plus adaptés à la fusion : le deutérium (D) et le tritium (T). Ils permettent le plus grand rendement énergétique à la plus basse température, bien que paradoxalement, la fusion D-T exige une température de 150 millions de degré, soit 10 fois plus que la température du centre du soleil. Ces éléments sont extrêmement abondants sur Terre, ce qui signifie que la ressource principale nécessaire à la fusion ne devrait pas poser de problème de disponibilité (même si dans les faits, il faut tout de même « produire » cette ressource, comme on doit produire l’hydrogène).

Mais pour réaliser une fusion nucléaire, il reste tout de même à générer le plasma. Actuellement, deux techniques sont principalement étudiées par les scientifiques afin de produire le plasma, cet état indispensable à la réaction de fusion : le confinement inertiel et le confinement magnétique. La première méthode, pour le moment plus marginale, consiste à chauffer à l’aide de faisceaux laser une capsule métallique grande d’environ deux millimètres et contenant les ressources principales à la fusion – le tritium et le deutérium. Frappée par une énergie importante – 300 000 milliards de watts – l’enveloppe de la capsule va se transformer en plasma et son contenu, sous l’effet de la pression, va être compressé. Le deutérium et le tritium, soumis à cette force, vont ainsi fusionner et produire de l’énergie. Pour l’instant, cette technique n’a pas encore permis de produire suffisamment d’énergie pour atteindre ce que l’on appelle le « seuil d’ignition », c’est-à-dire le moment où la réaction produit autant ou plus d’énergie qu’elle n’en a consommé.

Le confinement magnétique, lui, est né en Union soviétique, à l’intérieur d’un dispositif appelé « Tokamak », et a permis de produire du plasma avec des résultats sans précédent. Un tokamak est un dispositif de forme généralement toriques (de la forme d’un donut), qui permet de confiner du plasma grâce à des champs magnétiques. Lorsque le plasma entre en contact avec un solide, il perd de sa chaleur. L’objectif est donc, grâce à des aimants, de guider les particules présentent dans le plasma afin qu’ils ne rencontrent pas les parois de la structure.

Problème : le confinement magnétique du plasma n’est possible qu’avec de faible quantité d’atomes. C’est donc un jeu d’équilibriste pour les scientifiques que d’atteindre les conditions de rencontre des particules de deutérium et de tritium.

Les progrès d’Iter, le projet international de la fusion

Depuis les années 1950, plus de 200 tokamaks ont été construits dans le monde afin de produire la tant espérée fusion. Sous les acronymes de Jet (Joint European Torus), KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), West (Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) ou East (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)… ces différents projets abreuvent en connaissances le grand projet international « Iter» (Réacteur thermonucléaire expérimental international) à travers des essais grandeur nature pour la maîtrise de l’énergie de fusion.

Trente-cinq pays sont associés depuis 2006 pour la construction de ce tokamak situé à Cadarache (Bouches-du-Rhône) dans le Sud de la France. Il est attendu qu’Iter commence sa production de plasma d’ici 2026. Mais ce n’est pas avant 2035 que les chercheurs d’Iter espèrent pouvoir effectuer la première fusion deutérium – tritium. L’objectif entre temps est d’augmenter progressivement la puissance du dispositif afin de ne pas endommager cet immense tokamak de 830 m3, qui accumule déjà des retards, en partie liés à la crise de la Covid-19, et à des surcoûts.

Si Iter parvient à réaliser cette fusion et à la maintenir dans le temps, il aura démontré la faisabilité technique de la fusion nucléaire. Un nouveau tokamak suivra alors sous le nom de Démo. Il devra, à l’horizon de 2050, être capable de démontrer que la production industrielle d’électricité est possible grâce à la fusion nucléaire. Les experts estiment que, si l’on parvient à surmonter les défis techniques restants, la fusion ne pourrait être active qu’à partir de 2050 au mieux, pour une production électrique relativement faible au départ.

Des nombreuses promesses, mais des résultats encore partiels

En attendant une production industrielle d’électricité, la fusion oscille depuis les premiers tokamaks entre stagnation technologique et engouement excessif. Fin décembre 2021, le tokamak chinois East de l’Institut de Physique des Plasmas de l’Académie des Sciences annonce avoir réussi à maintenir un plasma de fusion à une température de 70 millions °C pendant 17 minutes et 36 secondes. Il aura fallu attendre plus de 18 ans pour battre le précédent record détenu par le tokamak français West. 

Pour ce qui est de la production d’énergie, le réacteur anglais Jet a lui aussi battu son propre record en 2022. Ce seul tokamak opérationnel fonctionnant au deutérium et au tritium a atteint une puissance d’environ 11 mégawatts (MW) pendant près de 5 secondes. En 1997, la centrale n’avait été capable de produire que 22 mégajoules d’énergie (4,4 MW), déjà à l’époque une révolution. Mais 11 MW pendant 5 secondes, c’est seulement une quinzaine de kWh d’énergie produite, soit à peine de quoi alimenter une ampoule LED pendant 2 heures. De son côté, Iter devrait également utiliser cette fusion D-T et être capable de produire, encore en théorie, 500 MW pendant 400 secondes à partir de seulement 50 MW introduits dans le réacteur… Le chemin est donc encore long avant d’arriver à des démonstrateurs efficaces, et encore plus avant de pouvoir produire à grande échelle.

Mais l’engouement est là. Les dernières années ont ainsi vu l’apparition d’entreprises privées sur le secteur de la fusion, et peu à peu, sa financiarisation. Après un long monopole des États sur la technologie, notamment à cause des coûts d’investissements gigantesques et de l’importance des travaux, des entreprises privées soutenues par des grands fonds d’investissement comme General Fusion, du fondateur d’Amazon Jeff Bezos ou CFS, du fondateur de Microsoft Bill Gates, profitent aujourd’hui des avancées du secteur public. Les performances d’Iter (et des autres projets de fusion) et les nouveaux investissements technologiques pour le climat incitent les entreprises privés à s’investir dans des projets de fusion nucléaire.

On peut donc s’attendre à de nouveaux développements en matière de fusion nucléaire. Mais cette énergie tiendra-t-elle ses promesses ? Pas sûr, car les défis techniques à surmonter sont gigantesques, et dompter la fusion ne sera pas simple, loin de là. On vous explique cela dans un prochain article.

Crédit photo : © ITER Organization

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