Faire quelque chose pour la première fois est difficile. Pourtant, reproduire le processus de fusion nucléaire qui alimente les étoiles mêmes, et le faire ici même sur Terre de manière contrôlée et soutenue est décidément en tête de liste des premières fois «difficiles». Ce qui complique encore les choses, c’est quand, pour arriver même à cette « première », vous ajoutez également un projet de construction international massif et un tas de géopolitique, tout cela est bien loin des expériences de fusion nucléaire passées.
Le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) étant la partie la plus visible de la recherche sur la fusion nucléaire, il n’est peut-être pas étonnant que la récente série de retards et d’augmentations de budget conduise certains à proclamer la catastrophe sur l’ensemble du secteur. Cela contraste ironiquement avec les récentes nouvelles du NIF américain et de sa fusion par confinement inertiel à base de laser, qui est à la fois financée par l’État et ne produira jamais d’énergie commerciale.
À la lumière de cela, il semble pertinent de se demander si ITER est l’éléphant blanc proverbial, ou même le mausolée de la science internationale qu’un article récent dans Scientifique Américain le fait paraître. La recherche sur la fusion est-elle vraiment vouée à s’essouffler au milieu des travaux apparemment sans fin sur ITER ?
L’histoire rime parfois
Ce qui fait parfois trébucher les gens, c’est que bien que la fission nucléaire et la fusion nucléaire se rapportent à l’énergie obtenue à partir d’interactions entre atomes, une seule d’entre elles est extrêmement facile à réaliser. Tout ce qu’il faut pour que la fission nucléaire se produise, c’est qu’il y ait suffisamment de matière fissile (comme l’uranium 235) au même endroit général, et suffisamment de neutrons pour qu’une réaction nucléaire en chaîne puisse commencer et se maintenir. C’est pourquoi les réacteurs à fission nucléaire naturelle existaient pendant les années de formation de la Terre, lorsque les quantités de matières fissiles dans la croûte terrestre étaient encore relativement élevées.
Il n’est donc pas étonnant que la reproduction de ce processus au cours des années 1940 dans des réacteurs à piles en graphite ait été un processus relativement simple : le graphite modère les neutrons émis, qui sont ainsi ralentis en neutrons thermiques qui provoquent plus d’événements de fission, qui produisent plus de neutrons, qui sont modéré, etc. Bien que cela ait évidemment nécessité une certaine ingénierie pour obtenir tous les détails, le premier réacteur à fission nucléaire artificielle est devenu un fait le 2 décembre 1942 lorsque Chicago Pile-1 (CP1) a subi une réaction nucléaire en chaîne.
Bien que le CP1 n’ait pas de refroidissement, de blindage ou d’autres équipements, le CP2 et les réacteurs dérivés étaient déjà utilisables comme prédécesseurs bruts des réacteurs de puissance commerciaux qui formeraient l’épine dorsale de la construction du parc nucléaire dans des pays comme le Canada, les États-Unis, la France et le Japon pendant des années 1970, dont la plupart des réacteurs fonctionnent encore et produisent de l’électricité aujourd’hui. Avec ce succès à l’esprit, on pourrait être pardonné d’être optimiste quant aux chances de s’attaquer également à la fusion nucléaire.
Au cours des années 1950, le Royaume-Uni était devenu l’une des principales forces derrière les usines de fusion nucléaire, les recherches jusque-là indiquant que la méthode Z-pinch (zeta pinch) consistant à contenir le plasma deutérium-tritium dans un champ magnétique était tout ce qui pouvait être nécessaire pour créer une centrale à fusion commerciale. Malheureusement, il a été découvert que dans les plus grands prototypes de réacteurs Z-pinch, le plasma ne se comportait pas aussi bien qu’on le supposait à l’origine. Au lieu de cela, des instabilités de plasma se produiraient de manière apparemment aléatoire dans le réacteur, ce qui a conduit à la quasi-disparition de la recherche sur la fusion, jusqu’à ce que l’invention du tokamak insuffle une nouvelle vie dans le domaine.
Ces premières conceptions de tokamak avec leur champ en forme de beignet se sont avérées nettement plus capables de faire face aux caprices du plasma hautement dynamique et très chaud lorsqu’il tournait dans le confinement des lignes de champ. En fin de compte, la disparition des réacteurs de fusion commerciaux basés sur le pincement Z s’est avérée ne pas être la fin du rêve de la fusion commerciale, mais plutôt le début d’une bien meilleure compréhension de la physique des plasmas.
Beaucoup d’œufs, beaucoup de paniers
Parmi les choses qui ont considérablement changé au cours des quelque soixante-dix dernières années, les progrès des technologies informatiques et de la science des matériaux nous ont permis de créer des cuves de réacteur et des aimants qui auraient été considérés comme presque magiques à l’époque. De plus, à l’aide de supercalculateurs, nous pouvons simuler de manière très détaillée des champs de plasma, simulations qui sont continuellement améliorées par les données expérimentales obtenues à partir des nombreux réacteurs de recherche sur la fusion actifs dans le monde.
Les plus fascinants de ces réacteurs sont peut-être les stellérateurs, qui ne sont pas un concept nouveau, mais qui nécessitent un niveau de compréhension de la dynamique du champ de plasma qui était au-delà de la portée de nos outils de compréhension et de simulation jusqu’à il y a quelques décennies. Depuis lors, ce type de réacteur à fusion a rapidement rattrapé les conceptions de tokamak, le Wendelstein 7-X étant le plus connu. À l’aide de ses électroaimants aux formes étranges, il crée un champ magnétique qui ne se contente pas de piéger et de contraindre le plasma comme dans un tokamak, mais cherche plutôt à « circuler » avec le plasma. Théoriquement, cela augmentera l’efficacité et permettra un fonctionnement continu pour démontrer la faisabilité des stellérateurs à utiliser dans les centrales électriques commerciales. Ce stellerator particulier a récemment été mis à jour dans sa configuration finale avec des déviateurs refroidis, ce qui devrait lui permettre de démontrer un fonctionnement continu avec du plasma chaud pendant jusqu’à une demi-heure.
Pendant ce temps, un mélange de réacteurs à fusion financés par l’État et privés se disputent les projecteurs, avec le tokamak britannique JET et le tokamak sphérique ST40 faisant la une des journaux, et la société privée du Commonwealth mettant à profit des décennies de recherche sur la fusion en laboratoire national américain dans son innovation Conceptions de réacteurs ARC et SPARC qui utilisent des électroaimants supraconducteurs à haute température. Parmi les réacteurs de recherche restants, le programme de fusion chinois est probablement le plus ambitieux, utilisant notamment leur tokamak HL-2M de taille moyenne non seulement pour fournir une validation expérimentale de la conception d’ITER, mais également pour le China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR).
Alors que le tokamak HL-2M a un rayon principal de seulement 1,78 m, le CFETR tel qu’il est actuellement prévu d’être construit cette décennie aura un rayon principal de 7,2 m, ce qui le rendrait plus grand qu’ITER à 6,2 m. Essentiellement, CFETR se situera entre ITER et son successeur prévu DEMO, lui permettant de valider les principes DEMO, tels que la génération de combustible de tritium à partir d’une couverture de lithium à l’intérieur de la cuve du réacteur pour maintenir un fonctionnement continu.
Chose intéressante, selon le calendrier actuel, le CFETR devrait commencer à fonctionner à peu près au même moment où ITER devrait commencer la fusion avec du combustible deutérium-tritium, vers 2035. Malgré la nature expérimentale du CFETR, la Chine envisage d’utiliser les quelque 2 GW d’énergie thermique pour la production d’électricité, avec du sel fondu comme tampon. Comme ces premiers réacteurs à fusion auront probablement besoin de pauses fréquentes pour se refroidir et pour l’entretien, le fait de disposer d’un tampon intermédiaire pourrait déjà faire des réacteurs à fusion des centrales électriques viables d’ici le siècle prochain.
Côtelettes d’ingénierie
En tant qu’entreprise internationale, ITER s’appuie sur les pays impliqués dans sa construction pour fournir les composants du tokamak, ce qui semble causer des problèmes qui reflètent les problèmes qui ont tourmenté l’avion de ligne 787 de Boeing, de nombreux sous-traitants dans le monde recevant des spécifications incomplètes, ainsi que avec des problèmes d’assurance qualité. Qu’il s’agisse d’un avion ou d’un réacteur à fusion, les petits problèmes peuvent rapidement devenir des problèmes plus graves, surtout lorsqu’ils ne sont pas résolus dès le début. Ajoutez à cela les chaînes d’approvisionnement massivement perturbées en 2020 et au-delà en raison de la pandémie, et cela aurait été plus étonnant si les choses avaient continué sans délai.
Bien que la validation expérimentale de certains aspects de la conception d’ITER se poursuive à l’aide de tokamaks existants, l’assemblage réel du réacteur physique doit être effectué par des ouvriers qualifiés, qui disposent de composants, de matériaux et d’outillage de qualité. Apparemment, c’est là qu’ITER a des problèmes majeurs, avec des composants défectueux arrivant sur le site de construction et certains travailleurs revendiquant des qualifications qu’ils n’ont pas. Ce sont là des aspects regrettables de la gestion de projet qui ne sont pas exclusifs à la construction d’usines de fusion.
En substance, on pourrait donc dire que le projet ITER a des problèmes majeurs qui doivent être résolus. Pourtant, marquer ITER comme en quelque sorte un monument à la folie de poursuivre la puissance de fusion nucléaire, ou le dernier lieu de repos de la coopération scientifique internationale serait une mauvaise interprétation offensive de l’état du domaine. Après tout, les domaines collectifs de la physique des plasmas, de la recherche sur la fusion et des domaines adjacents coopèrent chaque jour depuis de nombreuses décennies maintenant vers l’objectif unique de parvenir à une fusion nucléaire durable.
Caractériser ensuite ITER – avec ses racines dans la géopolitique des années 1970 – comme en quelque sorte l’ultime, l’alpha et l’oméga de la recherche sur la fusion est tout simplement malhonnête. Qu’ITER soit finalement terminé ou non au siècle prochain et commence à fonctionner est plus une question de coût irrécupérable, mais c’est loin d’être le seul espoir de l’humanité de débloquer la puissance de fusion, et encore moins la cheville ouvrière de la coopération internationale sur le sujet. Idéalement, les problèmes actuels avec ITER seront résolus le plus tôt possible, mais cela ne devrait pas se répercuter sur le domaine dans son ensemble.
Après tout, ITER n’est qu’une partie du puzzle, avec des entreprises privées du monde entier qui investissent dans leurs propres conceptions, de multiples conceptions par des pays comme la Chine avec une forte industrie nucléaire grâce à la construction en cours de son usine de fission, et même l’Allemagne avec son si jusqu’à présent incroyablement réussi Wendelstein 7-X stellerator. Tous sont en train de réduire les derniers problèmes restants pour faire des usines de fusion commerciales une réalité.
(Image d’en-tête : Vue aérienne du site ITER en 2020. (Crédit : Macskelek) )
