La fusion nucléaire, l’énergie de demain

Nous vivons à crédit. En à peine sept mois, nous consommons les ressources que la Terre génère en un an. Comment obtenir une énergie inépuisable, non polluante, sans danger et peu chère ? Les scientifiques misent sur la fusion nucléaire. Quelle est cette énergie ? Comment la produire ? Cet article explique le processus pour élaborer la fusion nucléaire, l’énergie de demain.

Pourquoi développer la fusion nucléaire ?

• Augmentation des besoins en ressources énergétiques

L’augmentation de la population mondiale entraîne une hausse permanente de la consommation énergétique. Les stocks des principaux combustibles fossiles (pétrole, gaz et charbon) restent insuffisants pour répondre aux besoins grandissants de l’Homme. De plus, la combustion de ces ressources non renouvelables provoque des effets de serre entraînant le dérèglement climatique. Par conséquent, innover dans une énergie propre et durable semble inéluctable.

• Une énergie propre et abondante

L’avantage de la fusion nucléaire réside dans la matière première utilisée : elle est intarissable. En effet, le deutérium garnit les océans en quantités phénoménales et son exploitation ne crée pas de déchets radioactifs. Cette énergie reste non émettrice de CO2.

Origines de la fusion nucléaire

75 % d’hydrogène et 25 % d’hélium composent le Soleil. Il puise sa source d’énergie dans la fusion de noyaux d’hydrogène. Ces derniers entrent en collision et fusionnent pour former des atomes d’hélium. Au cours de cette séquence, d’immenses quantités d’énergie se dégagent.

Voici le scénario qui s’opère lors de la transformation de l’hydrogène en hélium :

1. Deux protons d’hydrogène s’associent pour devenir un noyau de deutérium (D/2H).
2. Le deutérium intercepte un proton d’hydrogène et se transforme en hélium 3 (3He).
3. La combinaison de deux noyaux d’hélium 3 génère de l’hélium 4 (4He) et deux protons d’hydrogène. Cependant, ce phénomène ne se réalise pratiquement jamais.

Pour reconstituer ce processus en laboratoire, les scientifiques préparent un mélange deutérium-tritium. Cette composition offre un meilleur taux de réussite pour convertir de l’hydrogène en hélium.

Comment produire la fusion nucléaire ?

Elle provient de la combinaison de deux noyaux légers. Cette association forme un noyau plus lourd. Ce procédé est l’inverse de celui de la fission nucléaire qui consiste à fragmenter un noyau lourd en éléments plus légers.
Des noyaux d’atomes avec un faible indice indiquent un nombre réduit de nucléons (proton et neutron) : le Deutérium contient 1 neutron + 1 proton et le tritium : 2 neutrons + 1 proton.

Pour obtenir les conditions de fusion, il faut éjecter les électrons de leur orbite. Cela devient possible lorsque la température de leur environnement atteint 150 millions de degrés Celsius.

Voici les étapes pour y parvenir :

• Mélanger quelques milligrammes de deutérium et de tritium,
• Porter la mixture à 150 millions de degrés Celsius,
• Un plasma se forme.

Le deutérium (2 nucléons) et le tritium (3 nucléons) se recomposent alors sous forme d’hélium (4 nucléons).

Il reste un dernier nucléon : un neutron qui porte une énergie considérable.

Comment concevoir la fusion nucléaire : le projet ITER

• Description de la machine

35 pays se sont unis autour du projet ITER. Ce programme consiste à développer une machine – le Tokamak – pour fabriquer de l’énergie à partir de la fusion nucléaire. Ce consortium souhaite convaincre tous les terriens que cette nouvelle méthode ne nuit pas à notre écosystème.
Tokamak vient de la langue russe : Toroidalnaya Kamara Magnitnymi Katushkami. Cela se traduit par : production d’électricité chambre toroïdale avec bobines magnétiques.

Fonctions des principaux constituants du Tokamak :

• Solénoïde central (en BORDEAUX sur le croquis).
  Le solénoïde comporte des bobines de supraconducteurs. Ces derniers ne présentent pas de résistance au passage de l’électricité quand ils sont refroidis à une température très basse. Le solénoïde génère une décharge électrique afin d’ioniser le gaz présent dans la chambre à vide. Ceci provoque l’apparition du plasma (en MAUVE sur le croquis).
• Bobines du champ toroïdal (en ORANGE sur le croquis).
  Elles entourent la chambre à vide. Ces bobines créent un champ magnétique pour renfermer le plasma sur un espace délimité.
• Bobines du champ poloïdal (en VERT sur le croquis).
  Elles encerclent les bobines du champ toroïdal. Ces bobines assurent la stabilité du plasma, la maîtrise de sa forme et de sa position dans la chambre à vide.

• Fonctionnement de la machine

Pour amorcer la réaction de fusion, il faut :

• Chasser complètement l’air et les saletés qui subsistent dans la chambre à vide.
• Mettre en fonction les aimants : ils développent une force monumentale.
• Injecter le gaz dans la chambre à vide.
• Alimenter en électricité le solénoïde central pour faire circuler un courant dans la masse gazeuse. Ceci dans le but de ioniser et de chauffer le gaz.
• Ce chauffage ohmique permet d’obtenir une température de 20 millions de degrés Celsius. Des ondes radio de hautes fréquences sont émises pour atteindre une température de 150 millions de degrés Celsius.
• Ceci fait naître un plasma, qui est ensuite entretenu par le déplacement des électrons.
• Le plasma est confiné par un champ magnétique extrêmement fort. Cette aimantation le maintient dans un espace défini, à distance des parois du Tokamak. En effet, le moindre contact avec les surfaces internes de la chambre à vide entraîne le refroidissement du plasma. Il pourrait même disparaître.
• Le processus de fusion provoque une prolifération de neutrons. Ils sortent du champ magnétique et ils viennent s’écraser sur l’enveloppe interne de la chambre à vide. Ces impacts entraînent un échauffement des parois métalliques.
• L’eau qui circule dans les parois est alors convertie en une vapeur pouvant alimenter des turbines.

La fusion nucléaire dégage une énergie quatre millions de fois supérieure à celle que peut apporter le charbon, le pétrole ou le gaz naturel. C’est aussi quatre fois le rendement de la fission nucléaire.
ITER demeure le projet qui conçoit le plus imposant réacteur expérimental à fusion jamais réalisé. 50 mégawatts l’alimente en entrée et il restitue 500 mégawatts en sortie. Ce rendement s’avère excellent. La puissance développée ne sera pas convertie en électricité dans l’immédiat. En effet, la confection d’un système plus élaboré – un prototype industriel appelé Démo – débutera à l’aube de 2040.

Yann Le Rest