{"id":1360,"date":"2023-03-06T17:10:44","date_gmt":"2023-03-06T16:10:44","guid":{"rendered":"http:\/\/pierrepapon.fr\/?p=1360"},"modified":"2023-03-12T08:32:02","modified_gmt":"2023-03-12T07:32:02","slug":"fusion-thermonucleaire-des-progres-vers-le-saint-graal-de-lenergie","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/pierrepapon.fr\/?p=1360","title":{"rendered":"Fusion thermonucl\u00e9aire: des progr\u00e8s vers le Saint Graal de l’\u00e9nergie?"},"content":{"rendered":"\n

   <\/strong>Depuis quelques mois la perspective d\u2019utiliser la fusion thermonucl\u00e9aire comme fili\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique est revenue \u00e0 l\u2019ordre du jour suite \u00e0 une perc\u00e9e scientifique r\u00e9alis\u00e9e en d\u00e9cembre dernier en Californie \u00e0 Livermore dans le laboratoire de la National Ignition Facility (NIF). O\u00f9 la recherche en-est-elle ? Il est utile de faire le point. <\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

La fusion thermonucl\u00e9aire, est l\u2019alternative \u00e0 la fission nucl\u00e9aire : en provoquant une collision violente entre des atomes, on r\u00e9alise la fusion de leurs noyaux ? une partie de la masse initiale est transform\u00e9e en \u00e9nergie emport\u00e9e par les neutrons \u00e9mis par la r\u00e9action. Ce m\u00e9canisme qui fait \u00ab fonctionner \u00bb le soleil et les autres \u00e9toiles a \u00e9t\u00e9 expliqu\u00e9 par le physicien Hans Bethe en 1939. L\u2019utilisation du deut\u00e9rium et du tritium (deux isotopes de l\u2019hydrog\u00e8ne) est l\u2019option la plus simple, alors que le noyau de l\u2019hydrog\u00e8ne \u00ab ordinaire \u00bb est d\u00e9pourvu de neutrons, celui du deut\u00e9rium en poss\u00e8de un et le tritium deux.<\/p>\n\n\n\n

La mise au point de la bombe H, en 1952, fut la premi\u00e8re application de la fusion thermonucl\u00e9aire mais les physiciens ont rapidement pr\u00e9conis\u00e9 son utilisation dans une fili\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique, elle aurait le double avantage d\u2019utiliser un combustible abondant, le deut\u00e9rium qui peut \u00eatre extrait de l\u2019eau de mer, le tritium qui est radioactif (mais \u00e0 dur\u00e9e de vie relativement courte) \u00e9tant beaucoup plus rare, et de ne pas produire de d\u00e9chets radioactifs \u00e0 vie longue. Deux voies sont envisag\u00e9es depuis 1950. La premi\u00e8re, consiste \u00e0 r\u00e9aliser la fusion dans un r\u00e9acteur o\u00f9 les atomes sont ionis\u00e9s pour former un plasma qui est confin\u00e9 par un champ magn\u00e9tique dans une enceinte torique (appel\u00e9e tokamak) et port\u00e9 \u00e0 tr\u00e8s haute temp\u00e9rature. Pour la petite Histoire, rappelons que c\u2019est \u00e0 un simple soldat de l\u2019arm\u00e9e rouge passionn\u00e9 de physique, Oleg Lavrentiev, que l\u2019on doit le principe du tokamak, il l\u2019avait d\u00e9crit \u00e0 ses heures perdues alors qu\u2019il \u00e9tait en garnison sur l\u2019\u00eele de Sakhaline, il l\u2019a transmise \u00e0 ses sup\u00e9rieurs dans une note qui a fait son chemin (cette arm\u00e9e \u00e0 l\u2019\u00e9poque savait reconnaitre les bonnes id\u00e9es\u2026) ; il est devenu un des grands experts de la fusion nucl\u00e9aire (il est d\u00e9c\u00e9d\u00e9 \u00e0 Kharkiv en Ukraine\u2026).  La seconde voie est celle dite du \u00ab confinement inertiel \u00bb : les atomes sont irradi\u00e9s par des faisceaux lasers tr\u00e8s puissants qui provoquent leur compression et la fusion. La technique du confinement inertiel est utilis\u00e9e pour simuler le fonctionnement d\u2019une bombe H, en particulier aux Etats-Unis, avec la National Ignition Facility et, en France \u00e0 Bordeaux, le laser Megajoule du CEA.<\/p>\n\n\n\n

L\u2019objectif pour tous les r\u00e9acteurs, quel que soit leur mode de fonctionnement, est d\u2019atteindre \u00ab l\u2019ignition \u00bb (l\u2019allumage), c\u2019est -\u00e0-dire l\u2019auto- entretien de la fusion de fa\u00e7on \u00e0 produire plus d\u2019\u00e9nergie que l\u2019on en injecte dans la machine. Elle a pu \u00eatre r\u00e9alis\u00e9e dans plusieurs laboratoires, notamment \u00e0 Culham en Grande Bretagne en 2021, sur le Joint European Torus, le JET, un laboratoire financ\u00e9 par l\u2019Euratom. L\u2019\u00e9tape de l\u2019ignition n\u2019a \u00e9t\u00e9 franchie qu\u2019en d\u00e9cembre dernier au laboratoire du NIF \u00e0 Livermore (cf. A. Le Bec et P. Papon, \u00ab Fusion thermonucl\u00e9aire : quelles perspectives ? \u00bb, futuribles,<\/em> No 453, mars-avril 2023, p. 107, cf. photo). Les chercheurs am\u00e9ricains de la NIF sont parvenus, en d\u00e9cembre 2022, \u00e0 r\u00e9aliser la fusion par la voie inertielle \u00e0 l\u2019aide d\u2019une installation complexe : un laser puissant \u00e9met des impulsions de rayonnement infrarouge amplifi\u00e9es et transform\u00e9es par \u00e9tapes pour former 48 puis 192 faisceaux de lumi\u00e8re UV qui convergent pour irradier une cible de deut\u00e9rium et de tritium (la taille d\u2019un grain de poivre) plac\u00e9e dans une capsule de diamant situ\u00e9e dans un petit cylindre en or. Celui-ci est vaporis\u00e9 en \u00e9mettant des rayons X qui provoquent l\u2019implosion de la cible et la fusion thermonucl\u00e9aire \u00e0 plusieurs millions de degr\u00e9s en quelques dizaines de nanosecondes avec \u00e9mission de noyaux d\u2019h\u00e9lium et de neutrons. <\/p>\n\n\n\n

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La presse scientifique et les m\u00e9dias ont qualifi\u00e9 ce r\u00e9sultat, \u00e0 juste titre, d\u2019\u00e9tape \u00ab historique \u00bb (cf. D. Clery, \u201cExplosion marks laser fusion breakthrough, National Ignition Facility achieves net energy \u201cgain,\u201d but commercial plants remain a distant dream\u201d , Science,<\/em> vol 378, No 6625, 16 December 2022, p.1154) car, pour la premi\u00e8re fois, une r\u00e9action de fusion a d\u00e9gag\u00e9 plus d\u2019\u00e9nergie qu\u2019il en avait \u00e9t\u00e9 inject\u00e9 pour la d\u00e9clencher, r\u00e9alisant ainsi \u00ab l\u2019ignition \u00bb\u00a0: les faisceaux laser ont inject\u00e9 2,05 MJ (M\u00e9gajoules) dans la cible et la fusion a d\u00e9gag\u00e9 3,15 MJ (un gain de 54%).<\/p>\n

Ce succ\u00e8s ouvre-t-il la voie \u00e0 une fili\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique de production quasi-illimit\u00e9e d\u2019\u00e9nergie avec la fusion sans d\u00e9chets radioactifs de longue dur\u00e9e\u00a0? Il faut \u00eatre prudent car le rendement \u00e9nerg\u00e9tique global de cette exp\u00e9rience est tr\u00e8s insuffisant. En effet il n\u2019y a pas eu de gain net d\u2019\u00e9nergie car 300 MJ d\u2019\u00e9lectricit\u00e9 ont \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9s pour obtenir les faisceaux laser de 2 MJ. Il faudra donc augmenter le rendement des lasers et modifier l\u2019installation (sa superficie est \u00e9quivalente \u00e0 celle de trois terrains de football) pour encha\u00eener des tirs successifs sur des cibles pendant une longue p\u00e9riode. Les chercheurs travaillant dans le domaine conviennent qu\u2019une \u00e9tape importante a \u00e9t\u00e9 franchie pour la fusion inertielle, mais la perspective de sa mise en \u0153uvre dans une fili\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique est encore lointaine et la mission du laboratoire NIF (financ\u00e9 par la National Nuclear Security Administration au sein du D\u00e9partement de l\u2019\u00e9nergie), est d\u2019assurer la s\u00e9curit\u00e9 des armes nucl\u00e9aires am\u00e9ricaines. <\/span><\/p>\n\n\n

   La fili\u00e8re des tokamaks, la plus ancienne, est l\u2019objet du grand programme de coop\u00e9ration internationale, mis en \u0153uvre avec le r\u00e9acteur Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), lanc\u00e9 en 2007 (suite \u00e0 un accord initial entre M. Gorbatchev et R. Reagan en 1985\u2026), par les grandes puissances scientifiques mondiales (sept partenaires dont l\u2019UE) et dont la construction est en cours, en France sur un site du CEA \u00e0 Cadarache (Bouches du Rh\u00f4ne). Le plasma de deut\u00e9rium et de tritium sera cr\u00e9\u00e9 dans une enceinte torique (ressemblant \u00e0 un bennier) et port\u00e9 \u00e0 tr\u00e8s haute temp\u00e9rature (150 millions de degr\u00e9s) et irradi\u00e9 par des micro-ondes ; il est confin\u00e9 par de puissants champs magn\u00e9tiques produits par des bobines supraconductrices (10 000 tonnes d\u2019un alliage niobium-titane refroidi \u00e0 -269\u00b0C par de l\u2019H\u00e9lium). L\u2019aimant central du r\u00e9acteur (18 m de haut) engendre un champ magn\u00e9tique puls\u00e9 tr\u00e8s \u00e9lev\u00e9 qui cr\u00e9era un courant intense dans le plasma qu\u2019il chauffera. <\/p>\n\n\n\n

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\u00a9 ITER Organization<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

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Le tokamak est un assemblage de segments construit pas plusieurs pays dont le montage a pris du retard. Le co\u00fbt de la machine, a \u00e9t\u00e9 r\u00e9\u00e9valu\u00e9 \u00e0 plusieurs reprises car un grand nombre de modifications au sch\u00e9ma initial ont d\u00fb \u00eatre d\u00e9cid\u00e9es, retardant le chantier, estim\u00e9 \u00e0 18,5 milliards \u20ac en 2015, il est \u00ab stabilis\u00e9 \u00bb aujourd\u2019hui \u00e0 environ 21 milliards \u20ac (financ\u00e9s par les subventions des partenaires et en \u00ab nature \u00bb, la fourniture des \u00e9quipements) avec 300 millions \u20ac\/an pour le fonctionnement. L\u2019\u00e9ch\u00e9ancier d\u2019Iter que Bernard Bigot, son directeur g\u00e9n\u00e9ral d\u00e9c\u00e9d\u00e9 en 2022 a fait entrer dans sa phase de r\u00e9alisation technologique est le suivant (cf. photo du chantier) : – un premier plasma en 2025 – un fonctionnement avec le deut\u00e9rium et le tritium en 2035 \u2013 en 2040, la d\u00e9monstration apr\u00e8s ignition, si elle est atteinte, de la faisabilit\u00e9 d\u2019un r\u00e9acteur baptis\u00e9 Demo fournissant au r\u00e9seau \u00e9lectrique 300 \u00e0 500 MW  – apr\u00e8s 2045 la construction de prototypes industriels de 500 MW \u00e9lectriques pourrait \u00eatre lanc\u00e9e pour \u00eatre op\u00e9rationnels en 2055-2060. Iter, toutefois, comme toute la fili\u00e8re par confinement magn\u00e9tique, peut se heurter \u00e0 deux difficult\u00e9s majeures qui pourraient arr\u00eater la fusion: – une d\u00e9stabilisation du plasma par des turbulences – la contamination des parois et du plasma lui-m\u00eame par des impuret\u00e9s.. Il fonctionne en duo avec le JET (une coop\u00e9ration que n\u2019a pas arr\u00eat\u00e9 le Brexit). Il devrait tester le combustible deut\u00e9rium-tritium d\u2019Iter, le tritium devant \u00eatre fourni par les r\u00e9acteurs nucl\u00e9aires de la fili\u00e8re canadienne Candu.<\/p>\n\n\n\n

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Le gigantisme d\u2019Iter (un poids total de 23 000 tonnes) et de la NIF a suscit\u00e9 des vocations de francs-tireurs parmi des organismes de recherche et des entreprises, notamment aux Etats-Unis et en Chine, ; celle-ci a annonc\u00e9, d\u00e9but 2022, que son tokamak EAST avait stabilis\u00e9 un plasma \u00e0 70 millions de degr\u00e9s pendant 27 minutes.  On compterait environ une trentaine de \u00ab start-ups\u00bb qui projettent de construire des petits r\u00e9acteurs, variantes de tokamaks. Le MIT est sur les rangs avec sa \u00ab spin-off \u00bb, Commonwealth Fusion System, un r\u00e9acteur SPARC compact devant \u00eatre op\u00e9rationnel en 2025, utilisant un \u00e9lectroaimant supraconducteur (des oxydes de cuivre) fonctionnant \u00e0 plus haute temp\u00e9rature (refroidis par de l\u2019azote liquide \u00e0 -196\u00b0C), un projet soutenu financi\u00e8rement par Bill Gates et l\u2019ENI.  Quant \u00e0 Jeff Bezos, il finance le projet de r\u00e9acteur de la soci\u00e9t\u00e9 canadienne General Fusion : un plasma serait comprim\u00e9 dans un piston pour provoquer la fusion, l\u2019\u00e9nergie produite \u00e9tant absorb\u00e9e par un mur de m\u00e9tal liquide, et transf\u00e9r\u00e9e dans un \u00e9changeur de chaleur (la faisabilit\u00e9 d\u2019une fusion avec un tel proc\u00e9d\u00e9 n\u2019a jamais \u00e9t\u00e9 d\u00e9montr\u00e9e\u2026). En France, la start-up Renaissance Fusion a \u00e9t\u00e9 cr\u00e9\u00e9e \u00e0 Grenoble en 2019, avec l\u2019objectif de construire en dix ans un r\u00e9acteur qui serait une variante du tokamak, le Stellarator (le champ magn\u00e9tique est h\u00e9lico\u00efdal). Enfin, dernier rebondissement, au Japon les chercheurs de la  startup TAE Technologies ont annonc\u00e9 avoir r\u00e9alis\u00e9 pour la premi\u00e8re fois la fusion d\u2019un plasma constitu\u00e9 de protons (des noyaux d\u2019hydrog\u00e8ne) et de bore \u00e0 une temp\u00e9rature de vingt millions de degr\u00e9s sur un r\u00e9acteur avec un champ magn\u00e9tique h\u00e9lico\u00efdal du National Institute for Fusion Science du Japon (\u00ab Reactor experiment demonstrates alternative fusion scheme \u00bb, Science News<\/em>, 28 february 2023). Si cette fusion pouvait \u00eatre r\u00e9alis\u00e9e \u00e0 plus haute temp\u00e9rature, elle \u00e9viterait d\u2019utiliser du tritium qui est un atome radioactif et rare.Le succ\u00e8s obtenu \u00e0 Livermore conforte certes les espoirs mis dans la fili\u00e8re de la fusion thermonucl\u00e9aire par ses promoteurs mais force est de constater que l\u2019on loin d\u2019avoir d\u00e9montr\u00e9 sa faisabilit\u00e9 technique (un gain net d\u2019\u00e9nergie avec la fusion). Un effort de recherche d\u2019une quinzaine d\u2019ann\u00e9es au minimum est sans doute indispensable pour y parvenir sans garantie de succ\u00e8s, la voie du confinement inertiel \u00e9tant probablement la plus al\u00e9atoire. <\/p>\n\n\n\n

Terminons par un nouveau rappel historique. Dans son discours inaugural de la premi\u00e8re conf\u00e9rence internationale sur l\u2019utilisation pacifique de l\u2019\u00e9nergie atomique \u00ab Atoms for Peace \u00bb, \u00e0 Gen\u00e8ve en 1955, son pr\u00e9sident, le physicien indien Homi Bhabha, d\u00e9clarait : \u00ab\u00a0J’ose pr\u00e9dire qu’une m\u00e9thode sera trouv\u00e9e pour lib\u00e9rer l’\u00e9nergie de fusion de mani\u00e8re contr\u00f4l\u00e9e au cours des deux prochaines d\u00e9cennies.\u00a0\u00bb.. <\/p>\n\n\n\n

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Depuis lors, des progr\u00e8s ont certes \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9s, en particulier en 2022, mais la fusion thermonucl\u00e9aire, souvent consid\u00e9r\u00e9e comme une ressource in\u00e9puisable, en quelque sorte le Saint Graal (un objet mythique associ\u00e9 \u00e0 la recherche du salut au Moyen \u00c2ge) de l\u2019\u00e9nergie, n\u2019est toujours pas ma\u00eetris\u00e9e et en d\u00e9pit des annonces optimistes de start-ups, la fusion thermonucl\u00e9aire est au mieux un option \u00e0 tr\u00e8s long terme pour la transition \u00e9nerg\u00e9tique.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

   Depuis quelques mois la perspective d\u2019utiliser la fusion thermonucl\u00e9aire comme fili\u00e8re \u00e9nerg\u00e9tique est revenue \u00e0 l\u2019ordre du jour suite \u00e0 une perc\u00e9e scientifique r\u00e9alis\u00e9e en d\u00e9cembre dernier en Californie \u00e0 Livermore dans le laboratoire de la National Ignition Facility (NIF). O\u00f9 la recherche en-est-elle ? Il est utile de faire le point. La fusion […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":1377,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/1360"}],"collection":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=1360"}],"version-history":[{"count":5,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/1360\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1384,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/1360\/revisions\/1384"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/1377"}],"wp:attachment":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=1360"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=1360"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=1360"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}