La fusion nucléaire promet une énergie monumentale avec extrêmement peu de combustible et quasiment pas de déchet radioactif. Si capter ainsi la puissance des étoiles semblait utopique il y a quelques années, maintenant la question n’est plus si on va réussir, mais quand. Cela ne semble néanmoins pas pouvoir etre le cas avant la seconde moitié du XXIe siècle.
Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?
Déjà en 1920, l’astronome anglais Arthur Eddigton avait envisagé que le soleil était alimenté par une réaction de fusion qui pouvait être répliquée sur Terre. La première réaction aurait été réalisée par Ernest Rutherford dès 1934. Classiquement, on prévoit d’utiliser un atome de deuterium et un atome de tritium, deux isotopes de l’hydrogène. Les deux atomes fusionnent en un atome d’hélium et un neutron, ainsi qu’une énorme quantité d’énergie. Réussir à produire plus d’énergie qu’on en consomme est appelé l’ignition. Si cette réaction est la plus courante, il y en a d’autres envisagées, comme celle de TAE Technologies, utilisant un hydrogène « normal » et un atome de bore.
Il n’y a pas de déchet nucléaire combustible: pas d’uranium, de thorium, de plutonium … seul le réacteur lui-même va devenir un peu radioactif. De plus, l’injection du combustible est totalement contrôlable, ce qui empêcherait toute réaction en chaîne.
Néanmoins, cette réaction ne se produit que dans des circonstances extrêmes. De l’ordre de 150 millions de degrés celsius. Réussir à gérer cette contrainte est l’un des grands challenges de la fusion.
Les technologies de fusion nucléaire
Il y a essentiellement deux technologies pour exploiter la fusion nucléaire:
- le confinement magnétique (
- le confinement inertiel, qui utilise en général des lasers
Vous pouvez consulter la liste des projets ici: https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_r%C3%A9acteurs_%C3%A0_fusion_nucl%C3%A9aire
Le confinement magnétique
C’est la technologie la plus ancienne. Il s’agit en substance d’utiliser un champ magnétique pour confiner le plasma. Le principal représentant de cette technologie est le tokamak. Le principe est de confiner le plasma dans un champs en forme de donut (on parle de « tore »). L’idée se trouve dans un brevet déposé par deux physiciens britanniques (G.P. Thomson et M. Blackman) en 1946, puis a été développée dans les années 60 par des scientifiques soviétiques, qui révèleront deux tokamaks, T3 et TM3, qui permettent au plasma d’atteindre plusieurs millions de degrés.
Aujourd’hui, son principal représentant est le projet ITER. Créé en 2007, il est basé au centre CEA de cadarache, rassemble 35 pays et construit un démonstrateur à Saint-Paul-Lez-Durance, dans le sud de la France (13). Les premières expérimentations étaient prévues pour 2035, mais il a été retardé à cause de fissures dans des pièces cruciales s’étant révélés en 2022.
Outre le Tokamak d’ITER, il y a plusieurs gros projets internationaux:
- Les modèles « stellarator », comme le Wendelstein 7-X en Allemagne
- China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) en Chine
- Un projet anglais, intitulé STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) prévoit, comme son nom l’indique, d’utiliser un tokamak sphérique. Le Royaume-Uni aurait apporté 220m£ au programme.
Le confinement inertiel (avec lasers)
Une autre méthode est d’utiliser des lasers pour chauffer une bille de combustible. Une capsule contenant du deuterium et du tritium réside dans un minuscule cylindre appelé l’hohlraum. Des lasers vont être tirés et se répercuter sur les parois, créant un plasma extrêmement chaud. La cible est comprimée à une densité extrême, puis devrait faire se déclencher la fusion, générant une très forte puissance électrique en quelques nanosecondes.
Dans un test avec cette technologie, le projet américain National Ignition Facility (NIF) a réussi à atteindre le point d’ignition en décembre 2022 au niveau de la capsule. Néanmoins, cela ne prend pas en compte la puissance nécessaire aux lasers.
Les avancées de la fusion
De plus en plus d’expérimentation montrent des résultats prometteurs pour la fusion.
- En septembre, le réacteur à fusion koréen KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) a maintenu un plasma à 100 millions de degrés pendant 30 secondes.
- Pour ITER, un plasma a été maintenant à 50 millions de °C pendant 102 secondes en 2016. En 2018, le tokamak du réseau ITER situé en Chine, EAST, a fait monter le plasma à plus de 100 millions de °C, 120 en 2021. Il a, en décembre 2021, réussi à tenir un plasma à 70 millions dedegrés pendant 17.6 minutes.
Les principales entreprises développant la fusion
Si la fusion est longtemps resté une affaire purement publique, elle mobilise de plus en plus les investissements privés, passant de quelques dizaines de milliers d’euros en 2015 à 4 milliards d’euros en 2021. Le Financial Times a publié un article très intéressant en décembre 2022: Nuclear fusion: from science fiction to ‘when, not if’. Quelques entreprises se distinguent :
- Commonwealth fusion systems
- TAE Technologies
- Helion Energy
- General Fusion
Commonwealth fusion systems (CFS)
Commonwealth fusion systems ou CFS développe un modèle de tokamak utilisant un aimant supraconducteur à haute température (High Temperature Superconductor) en REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide). Ils ont pour objectif de concevoir un tokamak très compact dont le démonstrateur est appelé SPARC, conçu en partenariat avec le MIT. Le modèle final serait appelé ARC.
L’entreprise basée dans le Massachusetts est très récente: elle a été fondée en 2018 comme spin-off du Plasma and fusion center du MIT. Ses fonds initiaux étaient de 50 millions$, puis ils ont levé 115 de plus en 2019, 84 en 2020 et 1.8 milliards en 2021, pour construire le tokamak SPARC. Parmi leurs principaux investisseurs, on trouve notamment l’énergéticien italien ENI, le Breakthrough Energy Ventures.
TAE Technologies
Née en 1998 en Californie, TAE Technologies développe une technologie de fusion « aneutronique » (= peu d’énergie est libérée sous forme de neutron, 1% au lieu de 80% normalement) utilisant un plasma « filed-reversed configuration », similaire aux tokamaks sphériques. La réaction envisagée est différente: un atome d’hydrogène et de bore fusionnent en un atome de carbone, qui se divise en un atome d’hélium et de beryllium, ce dernier se divisant en deux atomes d’héliums.
En 2022, elle aurait plus de 250 employés et levé au total 1.2 milliards de dollars. Ses fonds viennent notamment de Goldman Sachs, de Vulcan Inc. (fond VC du cofondateur de Microsoft), Rockefeller Venrock et même de Rusnano, une entreprise liée au gouvernement russe. Elle a annoncé en 2021 avoir créé un plasma stable de 50 millions de °C.
Helion Energy
Helion Energy a été créée en 2013, par une équipe de chercheurs et développe un procédé hybride, une fusion magneto-inertielle aneutronique utilisant du déterium et de l’helium-3 comme combustibles.
Les débuts ont été lents, commençant avec quelques millions d’euros des ministères américains de l’énergie et de la défense, puis de Y Combinator et de Mithril Capital Management. L’invetissement total atteignait 77.8 millions en 2021. L’entreprise avait fait plusieurs prototypes. Le 6e a, en 2021, atteint 100 millions de degrés. Hélion a reçu 500 millions, avec potentiellement 1.7 milliards de plus, fin 2021.
General Fusion
Née en 2002 à Vancouver, General Fusion développe un procédé avec un confinement magnétique « classique » (deuterium-tritium) dans un réacteur sphérique, mais dont le plasma est un toroide (= donut) compact. Son originalité est d’utiliser des pistons pour comprimet le plasma.
L’entreprise avait le vé, en 2021, 430 millions$ au total, dont 98 en 2019 et 130 en 2021.
Qu’est-ce qui permet à la fusion de prendre son essor ?
Selon McKinsey, la fusion est l’objet d’un nouvelle essor en raison de:
- Du développement de l’impression 3D, permettant la conception de pièces aux formes géométriques complexes
- De l’augmentation des capacités de calcul des ordinateurs, qui peuvent mieux simuler le processus.
- Une augmentation des financements et recherches privées: le nombre d’entreprises est passé de 7 en 2010 à 25 en 2021 et les investissements de 170 millions à 4.44 milliards.
Est-ce que la fusion pemettra de lutter contre le déréglement climatique ?
La réponse est évidemment oui dans l’absolu: c’est une énergie bas carbone. La question doit néanmoins préciser « à l’horizon 2050 ». Dans l’article sus-cité du cabinet McKinsey, la fusion
Dans cette perspective, il est hautement improbable que la fusion joue un rôle majeur. Greg de Temmerman, un expert du sujet, tweetait à ce sujet:
On peut le voir avec les EnR qui se déploient très vite mais reste minoritaires dans beaucoup de pays. Imaginer une part significative pour la fusion, une techno non encore démontrée, d’ici 2050 est donc pour le moins optimiste…https://twitter.com/Gregdt1/status/1581189962778939392
Toutefois, rappelons que le monde ne se termine pas en 2050. Cela reste une technologie aux promesses fantastiques, qui va probablement redéfinir le monde moderne lorsqu’elle sera industrialisée.
Pour aller plus loin:
- Sur le projet ITER : https://fr.wikipedia.org/wiki/ITER
- L’article Wikipedia sur la fusion est très complet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire
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- Greg de Temmerman est un expert, coordinateur scientifique sur le projet ITER, qui communique sur le sujet.
- Il fait des threads très pointus sur le sujet. En voici quelques uns:
- Sur le rôle pour la décarbonation des économies: https://twitter.com/Gregdt1/status/1581189962778939392
- Sur le principe de la fusion et, surtout, du Tokamak : https://twitter.com/Gregdt1/status/1360598040755773440
- Sur l’évolution des progrès selon l’année et la technologie : https://twitter.com/Gregdt1/status/1604391021302976512
- Sur la technologie du projet de tokamak anglais : https://twitter.com/Gregdt1/status/1577007883387957254
- Podcast de la SFEN : https://www.sfen.org/podcasts/fusion-nucleaire-maitriser-lenergie-du-soleil/
- Sur le programme de fusion en Chine : https://twitter.com/Gregdt1/status/1478621710907809793
- Sur l’innovation sur les matériaux: https://twitter.com/Gregdt1/status/1436229123521843201
- https://www.sismique.fr/post/69-fusion-nucleaire-la-panacee-greg-de-temmerman
- Sur le NIF: https://theconversation.com/fusion-nucleaire-pour-lenergie-ou-nous-menent-les-annonces-recentes-166440
- Il fait des threads très pointus sur le sujet. En voici quelques uns:
- Sur la fusion froide
- https://www.youtube.com/watch?v=xXyIDmlhCeA
- https://zerhubarbeblog.net/2019/11/21/fusion-froide-chaud-devant/