La fusion nucléaire - le rêve d'un flux infini d'énergie propre

Le 5 décembre 2022, des chercheurs américains ont, selon les médias, réalisé une percée historique dans le domaine de la fusion nucléaire. Pour la première fois, une expérience menée au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie a réussi à libérer plus d'énergie qu'il n'en a été injecté. L'installation laser la plus puissante au monde a chauffé une quantité infime de deutérium et de tritium à plus de 100 millions de degrés Celsius et a généré un plasma dans lequel les deux isotopes d'hydrogène ont fusionné pour former de l'hélium. Le plasma a reçu une quantité d'énergie de 2,05 mégajoules grâce aux lasers, tandis que la fusion a généré 3,15 mégajoules. Le gain d'énergie ne concerne toutefois que l'expérience nucléaire. Le besoin total en électricité du réacteur expérimental est toujours bien plus important que l'énergie produite. Les 192 lasers ont eu besoin de 322 mégajoules d'énergie rien que pour produire de la lumière laser. L'expérience est un succès pour la science, car elle a permis de prouver définitivement que la fusion nucléaire permet de produire de l'énergie. Il faudra toutefois attendre encore de nombreuses années, voire des décennies, avant que les réacteurs à fusion commerciaux ne fournissent de l'énergie au réseau électrique.

Mythes et rêves entourent la fusion nucléaire
Depuis l'Antiquité, l'humanité rêve, comme Prométhée, de ramener le feu du soleil sur terre. L'ancien rêve de l'humanité de disposer d'une source d'énergie sûre, propre et inépuisable se perpétue aujourd'hui dans la fusion nucléaire. Aujourd'hui encore, la fusion nucléaire suscite l'espoir de pouvoir résoudre à jamais le problème énergétique mondial dans quelques décennies. L'énergie doit être produite sans limites à partir de matières premières disponibles en quantité illimitée et bon marché. La pénurie de matières premières, cause des guerres, doit être éliminée et l'humanité doit être libérée de la pauvreté, des conflits et de la pollution. La fusion nucléaire doit même contribuer à sauver l'humanité de l'extinction.

Contrairement à la fission nucléaire, la fusion nucléaire ne peut donner lieu à une réaction nucléaire en chaîne et donc à une fusion du cœur. Il n'y a pratiquement pas de déchets radioactifs à éliminer en toute sécurité pendant longtemps, et il n'y a pas non plus de rejet_{de CO2} nuisible au climat. La fusion nucléaire promet de remplacer toutes les énergies fossiles et d'éliminer le problème de la pollution et du réchauffement climatique. Le deutérium se trouve dans l'eau et est donc disponible en quantité presque illimitée sur notre planète dans les océans. Le lithium, à partir duquel est produit le tritium, est un peu moins abondant dans la nature, mais les gisements mondiaux suffiraient là aussi à couvrir l'ensemble des besoins énergétiques mondiaux pendant plusieurs dizaines de milliers d'années.

Si l'on se penche sur les mythes et les rêves qui entourent la fusion nucléaire, il est évident que la recherche n'a pas encore atteint ses objectifs, malgré des progrès considérables. Comme l'a montré l'historien Simon Märkl dans son livre Big Science Fiction, les visions utopiques de l'avenir ont également trouvé un écho dans la culture populaire américaine pendant la guerre froide. L'entreprise énergétique General Electric a par exemple mis en scène la fusion nucléaire comme énergie du futur dans la construction futuriste "Progressland" de Walt Disney lors de l'exposition universelle de New York en 1964/65. Et dans le film comique de science-fiction "Back to the Future" de 1985, la machine à remonter le temps de Doc Brown est propulsée par le "Mr. Fusion Home Energy Reactor", qui utilise comme carburant des déchets ménagers.

La première fusion nucléaire vraiment importante, réalisée par l'homme, a eu lieu le 1er novembre 1952 avec l'allumage de la première bombe à hydrogène américaine "Mike". L'explosion a été si énorme que l'île d'Elugelab, dans le Pacifique, s'est instantanément vaporisée. Après avoir déchaîné la force du soleil sous sa forme destructrice sur la Terre, on a voulu la dompter et la rendre utilisable à des fins pacifiques. L'idée de la fusion nucléaire comme source d'énergie est venue pour la première fois en 1949 au physicien soviétique Oleg Lavrentiev. Sa proposition de réacteur à fusion a incité Andreï Sakharov et Igor Tamm à développer le concept du tokamak en 1952. Le réacteur à fusion toroïdal, basé sur la méthode du confinement magnétique du plasma, est le type de réacteur qui a été le plus promu jusqu'à aujourd'hui.

ITER - le plus grand réacteur à fusion du monde
en 2005, l'UE, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie, la Chine et les États-Unis ont décidé de construire le réacteur de recherche ITER à Cadarache, dans le sud de la France. Ce projet de 22 milliards de dollars est l'une des plus grandes expériences de l'histoire de l'humanité. Le réacteur de recherche, qui repose également sur le principe du tokamak, est en construction depuis 2013. La deuxième étape consistera à construire le premier prototype de réacteur de fusion commercial "DEMO". L'objectif est de disposer d'une centrale à fusion opérationnelle dans la deuxième moitié du siècle. Le projet était une idée de Mikhaïl Gorbatchev, qu'il avait proposée en 1985 lors du sommet de Genève avec Ronald Reagan, afin d'améliorer les relations entre l'Est et l'Ouest. Aujourd'hui, ITER est le plus grand projet de recherche énergétique au monde.

Tous les pays impliqués travaillent ensemble, mais veulent également en tirer profit pour leurs propres industries. Certains composants du réacteur de recherche sont développés simultanément par plusieurs pays. La coopération internationale s'apparente donc souvent à une danse diplomatique de la corde raide. Les coûts se sont multipliés depuis le début du projet et les retards se sont multipliés. Même pendant la construction du réacteur de recherche, le design a été modifié à plusieurs reprises. ITER peut être la solution à la crise énergétique mondiale ou devenir l'un des échecs les plus coûteux de la science. ITER doit prouver qu'un réacteur à fusion peut fonctionner. Si ITER ne réussit pas, c'en est probablement fini de la fusion, disent ses partisans. C'est comme la construction d'une cathédrale, il faut plusieurs générations pour que la cathédrale soit construite.

Les critiques affirment que la fusion nucléaire restera à jamais une utopie. La fusion nucléaire est la forme d'énergie du futur - et le restera toujours. Dans la lutte contre le changement climatique, la fusion nucléaire arrive de toute façon trop tard et il vaudrait mieux investir l'argent aujourd'hui dans le développement des énergies renouvelables. Dans les 20 prochaines années, la fusion nucléaire ne pourra pas contribuer à la_{réduction des émissions de CO2}. Pour ses partisans, la fusion nucléaire sera à l'avenir un complément idéal aux technologies déjà existantes aujourd'hui. "Il ne faut pas opposer les quelques options prometteuses dont nous disposons", déclare par exemple Christian Theiler, professeur de physique des plasmas à l'EPFL de Lausanne. Il faut aujourd'hui à la fois la recherche fondamentale et le développement des énergies renouvelables, ainsi que des technologies de transition, comme l'énergie nucléaire basée sur la fission.

Certains chercheurs assurent que la seule clé du succès est d'investir plus d'argent dans la recherche sur la fusion afin de progresser plus rapidement. Il faut aujourd'hui investir dans de nombreux projets différents et prendre en compte chaque nouvelle idée. De nombreuses start-ups du monde entier travaillent aujourd'hui sur des prototypes de réacteurs à fusion. Tous les deux mois, on entend dire que telle ou telle entreprise vient de réaliser une percée. Mais de nombreuses promesses mirobolantes de ces start-ups privées ne sont pas réalistes. Il s'agit avant tout d'un bon marketing pour que leurs bailleurs de fonds ne fassent pas faux bond. Certaines initiatives privées, comme par exemple Commonwealth Fusion Systems, une spin-off du Massachusetts Institute of Technology (MIT), avec son concept de tokamak compact à haut champ, sont toutefois très prometteuses.

Quoi qu'il en soit, il reste encore quelques difficultés à surmonter sur le chemin d'une centrale à fusion. Pour permettre une production d'énergie efficace, le feu thermonucléaire doit brûler plus longtemps et être maintenu sous contrôle. Le plasma chauffé à plus de 100 millions de degrés Celsius doit être confiné et stabilisé efficacement. Ou comme le dit le chercheur en plasmas Eric Lerner dans le documentaire Fusion nucléaire - Le rêve de l'énergie solaire: "Le plasma doit pour ainsi dire rester immobile comme un bon chien. Le problème, c'est que le plasma ne veut pas rester immobile" Certains des superordinateurs les plus puissants du monde calculent aujourd'hui le comportement du plasma pour les laboratoires de recherche. Des modèles mathématiques doivent reproduire les processus physiques très complexes du plasma. La fiabilité des modèles doit alors être constamment vérifiée par des expériences.

Pour le confinement magnétique, il faut construire de grandes bobines magnétiques supraconductrices. Dans le réacteur, il faut produire suffisamment de tritium à l'aide de neutrons issus des réactions de fusion et le tritium injecté dans le plasma depuis l'extérieur doit être brûlé le plus efficacement possible. Les parois de la chambre à vide doivent pouvoir supporter des températures extrêmement élevées et les interactions du plasma avec les parois doivent être réduites au maximum afin que le réacteur ne soit pas endommagé ou détruit pendant son fonctionnement. Pour l'instant, la fusion nucléaire ne réussit que pendant une très courte période. Pour qu'un réacteur soit rentable, il faut augmenter le temps de confinement de l'énergie. Le temps de confinement d'un plasma augmente avec sa taille. C'est pourquoi les très grandes expériences comme ITER sont nécessaires. Ce réacteur devrait un jour fournir une puissance de fusion de 500 mégawatts pendant une période de quelques minutes, pour une puissance injectée de 50 mégawatts.

Le Swiss Plasma Center à l'EPFL de Lausanne
Depuis la création de l'actuel Swiss Plasma Center dans les années 1960, la Suisse s'engage fortement en faveur de la fusion nucléaire. Le Swiss Plasma Center de l'EPFL Lausanne est aujourd'hui l'un des principaux laboratoires de recherche sur la fusion au monde. Depuis 1979, la Suisse a collaboré avec la Communauté européenne de l'énergie atomique (Euratom) et a été associée à son programme de recherche et de formation dans le domaine de la fusion nucléaire de 2004 à 2020. En tant que membre de l'entreprise européenne Fusion for Energy, la Suisse a participé à la construction d'ITER de 2007 à 2020 et a versé pour cela 274,5 millions de francs à l'UE durant la même période. Parallèlement, ITER a généré des commandes à hauteur de 190 millions de francs pour les entreprises suisses de 2007 à 2019. La Suisse a assumé très tôt des tâches centrales dans le projet ITER. Tous les composants supraconducteurs des aimants ont par exemple été testés par le Swiss Plasma Center à l'Institut Paul Scherrer (PSI) de Villigen.

Après l'échec de l'accord-cadre, la Suisse est devenue un pays tiers non associé à Horizon Europe et donc au programme de recherche et de formation d'Euroatom. Sa participation au projet ITER et aux activités opérationnelles de Fusion for Energy a été suspendue. L'exclusion de la Suisse du projet ITER est difficile pour le Swiss Plasma Center. La coopération internationale est justement décisive dans le domaine de la recherche sur la fusion. Sans une participation formelle à ITER, les chercheurs suisses ne peuvent plus influencer le développement du projet. La participation sans restriction du Swiss Plasma Center au projet ITER est également dans l'intérêt de la communauté scientifique européenne. En outre, les entreprises industrielles suisses ne peuvent plus participer aux appels d'offres pour la fourniture de composants et de services en rapport avec ITER.

Afin de continuer à assurer la collaboration du Swiss Plasma Center avec la recherche européenne sur la fusion, un accord a pu être conclu, du moins au niveau opérationnel, entre l'EPFL Lausanne et Fusion for Energy. Le Swiss Plasma Center peut en outre continuer à participer au programme de recherche et de formation d'Euratom en tant que partenaire associé de l'Institut Max-Planck de physique des plasmas à Garching près de Munich, qui coordonne le consortium des laboratoires européens de recherche sur la fusion (EUROfusion). Le financement de la recherche suisse sur la fusion en lien avec le programme Euratom et la coopération institutionnelle avec Fusion for Energy est aujourd'hui assuré par le Secrétariat d'Etat à la formation, à la recherche et à l'innovation (SEFRI) dans le cadre de ses mesures de transition vers Horizon Europe.

Le réacteur expérimental TCV Tokamak du Swiss Plasma Center est l'une des principales installations de recherche sur la fusion en Europe, qui permet de poursuivre les recherches sur la physique de la fusion nucléaire par confinement magnétique. Le Swiss Plasma Center contribue à démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion nucléaire contrôlée sur Terre et, par conséquent, à prouver que la fusion nucléaire pourra être exploitée commercialement à l'avenir. Le Swiss Plasma Center compte aujourd'hui environ 120 collaborateurs et plus de 40 doctorants. Dans le domaine de la théorie et de la simulation des plasmas, de la supraconductivité, de la physique des plasmas et de l'optimisation du concept de tokamak, le Swiss Plasma Center apporte des contributions importantes à la recherche internationale sur la fusion.

Aujourd'hui, la production d'énergie à partir de la fusion nucléaire semble encore un rêve lointain, mais dans quelques décennies, l'humanité sera peut-être reconnaissante de pouvoir utiliser une technologie qui produit une énergie fiable, sûre et_{sans CO2}. Ou comme l'a formulé le journaliste de la NZZ Andreas Hirstein: "Peut-être qu'en 2100, nos arrière-arrière-petits-enfants s'étonneront un jour de leurs ancêtres qui ont été assez prévoyants pour investir pendant 100 ans dans une technique dont la réalisation était considérée comme impossible et qui a pourtant été poussée en avant parce que ses avantages sont si énormes"

Comment fonctionne la fusion nucléaire ?
La fusion nucléaire est responsable de la production d'énergie à l'intérieur du soleil et de toutes les étoiles brillantes. La fusion de noyaux atomiques légers libère une grande quantité d'énergie. Lors de la fusion nucléaire, telle qu'elle sera utilisée dans les futures centrales à fusion, les noyaux des isotopes lourds de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, fusionnent en libérant un neutron et de l'énergie pour former un noyau d'hélium. Il faut énormément d'énergie pour que les noyaux atomiques fusionnent entre eux, car ils sont chargés électriquement et se repoussent mutuellement. Les isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, doivent être chauffés à une température suffisamment élevée pour augmenter leur énergie cinétique, afin qu'ils puissent franchir la barrière électrostatique du noyau atomique et fusionner en hélium. Le deutérium est contenu dans l'hydrogène que l'on trouve dans la nature. Le tritium, en revanche, n'est guère présent dans la nature et doit être produit artificiellement dans un réacteur. Pour ce faire, l'isotope de lithium Li-6 est irradié par des neutrons. Dans un réacteur à fusion, la réaction thermonucléaire est utilisée de manière contrôlée pour produire de l'électricité. Contrairement à une bombe à hydrogène, où la fusion se déroule de manière incontrôlée, seules de très petites quantités de combustible sont présentes à tout moment dans le réacteur. Aujourd'hui, la recherche sur la fusion se concentre principalement sur le tokamak et le stellarator. Ces deux types de réacteurs reposent sur la technique du confinement magnétique. Le plasma est ainsi confiné dans un champ magnétique. Le plasma est chauffé par des ondes électromagnétiques dans le spectre des ondes radio et des micro-ondes ainsi que par l'injection de particules neutres, au cours de laquelle un faisceau de particules non chargées est injecté dans le plasma avec une énergie élevée. Dans le cas de la fusion inertielle, la fusion du deutérium et du tritium en hélium est en revanche obtenue par le bombardement de rayons laser. L'énergie libérée par la fusion nucléaire sous forme de chaleur peut être transformée en électricité dans le réacteur de fusion par des turbines et des générateurs.