La fusion nucléaire contrôlée :
une source d'énergie propre et inépuisable ?



La fusion nucléaire : la source d'énergie des étoiles

La fusion nucléaire constitue le mécanisme à l'origine du rayonnement des étoiles et en particulier du Soleil. En effet, au sein des étoiles, les noyaux légers fusionnent et produisent des noyaux plus lourds. Au cours de cette réaction de fusion, la masse du noyau produit est inférieure à la somme des masses des noyaux légers d'origine. La différence de masse, en vertu de la célèbre relation d'Einstein, E=mc2, est alors convertie en énergie. On estime ainsi que, dans le Soleil, pas loin de 600 millions de tonnes d'hydrogène sont transformés en 596 millions de tonnes d'hélium chaque seconde. La différence est alors convertie en énergie et est à l'origine de la chaleur et de la lumière que nous recevons.
Bien que l'énergie libérée par la fusion nucléaire soit considérable, les réactions de fusion ne se produisent pas spontanément, du moins dans les conditions de température et de pression auxquelles nous sommes habitués. Ainsi, la probabilité d'observer une réaction de fusion entre deux noyaux d'hydrogène à la surface de la terre est quasiment nulle. En effet, pour fusionner, les noyaux, qui sont chargés positivement, doivent d'abord vaincre leur tendance naturelle à se repousser. Ceci est possible lorsque la matière est dans des conditions extrêmes comme au coeur du Soleil (pression énorme et température de plusieurs millions de degrés).

Comment domestiquer la fusion nucléaire ?

Produire sur Terre des conditions propices à la réalisation des réactions de fusion constitua rapidement un objectif important de recherche, compte tenu de l'immense potentiel énergétique de ce phénomène et de la très grande abondance de l'hydrogène. La bombe à hydrogène constitua la première 'réussite' dans ce domaine. Dans cette application militaire, les conditions extrêmes de température et de pression sont obtenues grâce à une amorce constituée d'une bombe atomique de fission. Heureusement, l'essentiel des recherches actuelles suit une approche plus pacifique, qui a pour but de contrôler les réactions de fusion et de domestiquer l'énergie de fusion. La fusion nucléaire contrôlée consiste ainsi à tenter de reproduire sur Terre des conditions permettant d'exploiter de manière industrielle cette source d'énergie.

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Représentation schématique du champ magnétique utilisé dans les tokamaks.

Dans les conditions de température nécessaires pour obtenir la fusion nucléaire, soit plusieurs millions de degrés, les atomes sont alors séparés en leurs constituants fondamentaux - électrons et noyaux chargés positivement - et forment un gaz chaud appelé "plasma". Ces températures excluent l'utilisation d'un récipient pour maintenir le plasma dans un espace suffisamment petit pour qu'un nombre important de collisions entre noyaux légers donne lieu à des réactions de fusion. La solution la plus souvent retenue consiste alors à soumettre le plasma à un champ magnétique intense de géométrie toroïdale (voir ci-contre). Les particules chargées composant le plasma suivent alors approximativement le champ magnétique et ne peuvent explorer qu'une partie limitée de l'espace. Ceci favorise les collisions entre les noyaux légers tout en limitant le contact entre le plasma et les parois du réacteur. Cette technique est appelée le confinement magnétique du plasma. Les réacteurs de fusion basés sur cette approche sont connus sous le nom de tokamak et apparaissent aujourd'hui comme les plus prometteurs.




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Vue intérieure du plus grand tokamak européen, le JET (Joint European Torus), situé à Oxfordshire au "Culham Science Centre". La hauteur de l'enceinte intérieure est de 4.2 m. (photograph courtesy of EFDA-JET).











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Vue extérieure du JET (photograph courtesy of EFDA-JET).

Les chercheurs se sont également rendu compte que les probabilités de réaction de fusion entre noyaux d'hydrogène étaient bien trop faibles pour envisager l'exploitation industrielle de phénomènes identiques à ceux qui se produisent au coeur du Soleil. Par contre, d'autres réactions, basées sur le même principe de fusion de noyaux légers, sont moins difficiles à réaliser. Ainsi, la réaction qui semble la plus favorable dans les tokamaks serait la fusion d'un noyau de deutérium et d'un noyau de tritium. Le deutérium et le tritium sont deux isotopes de l'hydrogène, c'est-à-dire des éléments dont les noyaux des atomes contiennent le même nombre de protons que l'hydrogène (un seul) mais pas le même nombre de neutrons (un pour le deutérium et deux pour le tritium au lieu de zéro pour l'hydrogène). Le résultat de cette réaction est un noyau d'hélium et un neutron.
Le noyau d'hélium étant chargé, il va être soumis au champ magnétique du tokamak et restera ainsi confiné dans l'enceinte du réacteur. Les collisions entre les noyaux d'hélium et autres constituants du plasma devraient permettre de maintenir une température suffisamment élevée dans le réacteur. Les neutrons n'étant pas porteur de charge électrique seront insensibles au champ magnétique et quitteront le tokamak à très grande vitesse. Leur énergie sera alors récupérée et transformée en chaleur qui, à son tour, sera transformée en électricité.

La fusion : les avantages du nucléaire sans ses inconvénients

La fusion présente trois avantages majeurs. D'abord, elle utilise comme combustible le deutérium dont les réserves terrestres sont quasiment inépuisables et le tritium relativement facile à produire ; son exploitation industrielle permettrait donc de résoudre, pour de nombreux millénaires, les problèmes liés à notre approvisionnement énergétique. En effet, les chiffres sont éloquents : l'exploitation d'une centrale électrique de 1000 MW basée sur la combustion du charbon nécessite de brûler pas loin de 3 millions de tonnes de charbon par an. A même puissance, une centrale fonctionnant sur le principe de la fusion nucléaire ne consommerait qu'un quart de tonne d'un mélange basé pour moitié de deutérium et pour moitié de tritium. Alors que les effets liés à la combustion de combustibles fossiles (charbon et pétrole par exemple) risquent d'altérer à long terme nos conditions de vie, le développement d'une source d'énergie ne produisant aucun gaz à effet de serre rencontre évidemment un intérêt grandissant.
Le deuxième avantage majeur de la fusion est sans conteste la sécurité inhérente à ce phénomène. D'abord, seule la quantité de combustible nécessaire au fonctionnement du réacteur (à peine quelques grammes) est injectée dans l'enceinte du tokamak. Ainsi, si l'état du réacteur déviait trop des conditions normales d'exploitation, il est très simple de le mettre hors service rapidement. De même, l'injection accidentelle d'éléments indésirables (comme de l'air) dans l'enceinte, stopperait immédiatement les réactions de fusion. En fait, les quantités de plasma qui se trouveront au sein du réacteur seront si faibles qu'un incident, aussi improbable soit-il, ne pourrait jamais entraîner un événement catastrophique du type d'une explosion et limiterait ses effets à la mise hors service du réacteur.
Plus important peut-être est la propreté relative de la fusion nucléaire. En effet, le deutérium est un isotope qui se trouve à l'état naturel et dans une fraction non négligeable dans l'hydrogène qui constitue l'eau. Sa production est donc aisée et non polluante. Le tritium, quant à lui, est un élément radioactif. Il se dégrade en émettant des rayonnements énergétiques. Cependant, son temps de vie, c'est-à-dire la période pendant laquelle il émet des rayonnements potentiellement dangereux, est très courte (de l'ordre de la dizaine d'année). De plus, la réaction de fusion ne génère pas, directement ou indirectement, de sous-produits radioactifs de longs temps de vie. Les interactions entre les neutrons rapides qui s'échappent de l'enceinte du réacteur et les parois génèreront certainement des déchets radioactifs. En fait, un partie importante du tritium consommé dans les réacteurs de fusion pourrait directement être produite par les interactions entre ces neutrons fortement énergétiques et le lithium constituant certains éléments des parois du réacteur. Ainsi, le seul combustible radioactif serait produit et consommé directement dans le réacteur. De plus, contrairement aux déchets radioactifs liés aux centrales classiques, ceux produits par la fusion auront un temps de vie court. Leur nuisance potentielle pourra alors facilement être gérée par un stockage et une surveillance à court ou moyen terme. Ainsi les déchets de la fusion ne constitueront ni un fardeau ni un danger pour les générations qui nous suivront.

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Schéma du projet de réacteur de fusion international (published with kind permission of ITER).


A quand la fusion ?

Alors que les avantages liés à l'exploitation industrielle de la fusion nucléaire sont clairs tant du point de vue environnemental que stratégique (les combustibles sont en effet accessibles à tous et en quantité quasiment inépuisable), il semble naturel de s'interroger sur les raisons qui font que cette source d'énergie n'est pas encore exploitée aujourd'hui. Les raisons sont multiples.
D'abord, la faisabilité de l'exploitation industrielle de la fusion nucléaire, bien que considérée comme acquise par de nombreux chercheurs, n'a pas encore été démontrée expérimentalement. Des réactions de fusion ont bien été produites dans des tokamaks. Ainsi, en 1997, le tokamak européen JET (situé près d'Oxford en Angleterre) est parvenu à produire une énergie de fusion de 16 MW. Cependant, en raison de la taille réduite des réacteurs actuels, le bilan énergétique de ces réactions ne permet pas encore leur exploitation.
D'autre part, la construction d'un réacteur de fusion produisant suffisamment d'énergie est une tâche difficile et coûteuse. Ainsi, bien que le coût des combustibles soit très raisonnable, les installations techniques nécessaires à la construction et à l'exploitation d'un réacteur de fusion impliquent des investissements très lourds. De plus, la logique économique actuelle n'intègre pas (ou très faiblement) les coûts liés aux impacts environnementaux des différentes sources d'énergie. Cette situation fait apparaître, de manière artificielle, les moyens traditionnels de production d'énergie comme étant plus compétitifs.
Il semble néanmoins que les progrès techniques et scientifiques en matière de fusion nucléaire, ainsi que l'épuisement progressif des réserves de charbon et de pétrole, transformeront vers la moitié de ce siècle la fusion nucléaire en une option énergétique viable. De plus, cette option garantira un approvisionnement énergétique tout à la fois durable et respectueux de l'environnement.
Une des étapes importantes dans le développement de nos connaissances en fusion sera la construction, qui devrait être décidée prochainement, d'un tokamak capable de produire une énergie de fusion de l'ordre de 500MW : ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Ce projet, issu d'une collaboration internationale entre les Etats-Unis, le Japon, la Russie et l'Europe, devrait permettre de cerner de mieux en mieux les contraintes liées à l'exploitation à grande échelle de l'énergie de fusion.


La recherche en fusion : un programme européen auquel participe l'ULB

Les recherches effectuées dans le cadre de la fusion contrôlée ont notamment pour tâche de décrire le comportement collectif des électrons et des noyaux chargés positivement qui constituent les plasmas lorsque ceux-ci sont soumis à de forts champs magnétiques. Des phénomènes complexes de transport de matière et d'énergie se produisent alors au sein du plasma. D'une part, les collisions ont tendance à faire dévier les constituants du plasma des trajectoires que l'on tente de leur imposer (le long du champ magnétique). D'autre part, les conditions extrêmes nécessaires pour obtenir la fusion contrôlée engendrent de nombreuses instabilités menant à un état turbulent du plasma. Le plasma est alors dans un état apparemment chaotique difficile à décrire et à modéliser. La dispersion du plasma qui accompagne cet état turbulent limite le temps de confinement et, par conséquent, les performances des réacteurs. La richesse et la complexité des phénomènes physiques rencontrés au sein des plasmas ont motivé une recherche active à l'ULB depuis les années soixante.

Au niveau de l'Europe, la coordination des recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée démarra en 1957, avec la création de l'EURATOM. En effet, le Traité de Rome assigne à l'EURATOM toutes les activités liées aux applications énergétiques de l'atome, à l'étude de la fusion nucléaire contrôlée ainsi qu'aux applications touchant aux radio-isotopes. En Belgique, les recherches sur le confinement magnétique des plasmas en vue de la réalisation de la fusion thermonucléaire contrôlée sont menées depuis 1969 dans le cadre d'un contrat d'association EURATOM - Etat Belge. L'unité de Physique Statistique et Plasmas de l'ULB constitue l'une des trois branches de cette association avec le Laboratoire de Physique des Plasmas de l'Ecole Royale Militaire et le Centre d'Etude Nucléaire de Mol.