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La fusion nucléaire sauvera-t-elle la planète?

Des chercheurs des quatre coins du monde sont en compétition pour accomplir un exploit qui échappe à la science depuis plus de 60 ans : créer des réacteurs de fusion nucléaire pouvant fournir de l'énergie propre et illimitée à l'humanité.

Devant les sombres prédictions des scientifiques concernant le réchauffement de l’atmosphère, une solution semble tout indiquée pour sauver la planète : la fusion nucléaire. C’est l’énergie prodigieuse qui alimente notre soleil.

Elle n’émet pas de gaz carbonique et pose peu de risques aux humains et à l’environnement. Cette source d’énergie offre un approvisionnement en électricité constant, nul besoin de l’emmagasiner comme les énergies renouvelables intermittentes.

Or, voilà plus d’un demi-siècle que la science promet l’arrivée imminente de la fusion. On l’attend toujours.

« On a toujours accusé la fusion d’être 30 ans dans l’avenir », dit le physicien californien Kenneth Fowler, un des pionniers des programmes de fusion nucléaire des États-Unis. Âgé de 85 ans, il a passé toute sa carrière en quête du Graal de l’énergie.

Nous savons que ça peut fonctionner. Ce que nous ignorons, c’est le temps que ça prendra et le degré de ressources financières et techniques nécessaires pour y parvenir.

Kenneth Fowler, physicien

En dépit de décennies de revers, un vent nouveau souffle sur l’univers de la fusion. De grands projets institutionnels ont récemment vu le jour ou sont en développement. Certains laissent entrevoir des résultats prometteurs.

« Nous sommes à un moment de l’histoire de la fusion qui est crucial », estime Richard Kamendje, physicien à l’Agence internationale de l’énergie atomique à Vienne. « C’est un moment où la communauté internationale se décide d’explorer cette possibilité et de définir les étapes clés qui mèneront vers un prototype de réacteur. »

Un défi de taille

La fusion est la combinaison de noyaux d’atomes légers qui produit une grande quantité d’énergie. Contrairement à sa cousine, la fission, la fusion ne produit pas de déchets radioactifs de très longue durée de vie. Certains combustibles pour la fusion, comme le deutérium, sont disponibles dans l’eau en quantité presque illimitée.

Il y a cependant un hic. Pour faire fusionner des atomes, les chercheurs doivent soumettre des plasmas, des gaz très chauds, à des conditions de température et de pression similaires à celles qui prévalent au coeur des étoiles. Ils doivent réussir à contenir et à maintenir cette soupe de noyaux et d’électrons chauffée à des millions de degrés pour déclencher la fusion.

Ça a toujours été une question d’échelle. La fusion fonctionne dans le soleil, mais on veut quelque chose de petite taille qu’on peut faire fonctionner sur Terre.

Kenneth Fowler, physicien

Jusqu'à ce jour, aucun réacteur de fusion nucléaire n’a réussi à produire plus d’énergie qu’il n’en consomme. Cette situation pourrait bien être sur le point de changer.

ITER: le soleil en bouteille

Un chantier de construction grandiose a vu le jour près de Cadarache, en France, dans la région d’Aix-en-Provence. D’énormes grues sortent de terre autour d’un grand trou circulaire. Il s’agit du projet de fusion nucléaire ITER, la plus grande expérience scientifique de la planète.

« Nous pourrons retirer davantage d’énergie de la fusion que ce que nous dépensons pour la produire », assure Mark Henderson, un des physiciens qui y travaille.

ITER prendra la forme d'un beigne géant dans lequel on fera circuler du plasma à 150 millions de degrés Celsius. D’intenses champs magnétiques confineront le plasma au centre afin de l'empêcher de toucher aux parois métalliques et de se refroidir. Il s'agit de la version la plus récente d'un Tokamak, une technologie développée par les Soviétiques dans les années 1950.

Les Tokamaks construits ailleurs dans le monde n’ont pas réussi à obtenir un gain net d’énergie, mais ITER sera construit à une échelle gigantesque, augmentant ses chances de réussite.

En tout, 35 pays ont uni leurs forces — dont la Russie, la Chine et les États-Unis — afin de financer et construire ITER. Le chantier devait être terminé cette année, mais de nombreux problèmes en ont retardé les travaux.

Les coûts ont triplé et sa mise en fonction initiale est maintenant prévue pour 2025. Les premières expériences de fusion ne s’y dérouleront qu’en 2035. La facture finale s’élèvera à plus de 25 milliards de dollars.

« Si ITER aujourd’hui a du retard, ce n’est pas simplement parce que c’est une chose qui n’est pas faisable, estime le physicien Richard Kamendje. C’est simplement parce qu’il faut toute une phase d’apprentissage pour savoir comment travailler ensemble. »

Pour le directeur général d’ITER, Bernard Bigot, les retards et les augmentations de coût doivent être mis en perspective.

Si nous réussissons, nous changeons complètement la problématique de l’approvisionnement énergétique de ces pays, pas pour cinq ans, pas pour même une décennie, mais pour des dizaines, voire des centaines de millions d’années.

Bernard Bigot, directeur général d'ITER

Le retour du Stellerator

Grâce aux efforts de chercheurs en Allemagne, un des concepts qui avait été mis à l’écart dans la course vers la fusion est en train de connaître un second souffle.

Il s’agit du Stellerator, un créateur d’étoiles. Tout comme le Tokamak, le Stellerator confine un plasma chauffé à très haute température grâce à des champs magnétiques.

Les résultats obtenus par les premières générations de Stellerator étaient tellement décevants que bien des équipes de recherche avaient décidé de les abandonner au profit des Tokamaks.

L’équipe de l’Institut Max Planck de la physique des plasmas, à Greisfwald, a choisi de poursuivre les recherches pour comprendre ce qui n'allait pas avec le Stellerator.

« Le Stellerator avait un mauvais rendement parce que le champ magnétique était incorrect, selon le physicien Thomas Klinger de l’Institut Max Planck. Pour calculer le champ magnétique approprié, il fallait des ordinateurs très puissants et ces ordinateurs ne sont devenus disponibles qu’à la fin des années 1980. »

Après 20 ans de calculs, les chercheurs ont finalement déterminé la forme que doit épouser le champ magnétique pour confiner le plasma de façon idéale. Il s’agit d’une forme torsadée bizarre, comme si Salvador Dali avait décidé de peindre des aimants sur un tableau futuriste.

Le tout nouveau Stellerator Wendelstein 7-X a été construit à partir de cette forme torsadée. Les résultats surprenants des premières expériences suscitent beaucoup d’intérêt au sein de la communauté scientifique.

« Si nous pouvons pousser la performance du Stellerator au même niveau que celle du Tokamak, les avantages du Stellerator deviendront immédiatement un atout », croit Thomas Klinger.

« Le stellarator est vraiment revenu dans la course », selon l’ingénieur Didier Chauvin qui en supervise l’assemblage. « C’est comme un bon match de foot, si vous voulez voir un bon match, il faut deux bonnes équipes. Donc, c’est très bien : on a deux solutions qui peuvent conduire à la fusion nucléaire, dit-il. L’avenir dira laquelle est la plus importante. »

La fusion au laser

En Californie, on tente de faire de la fusion nucléaire grâce à des lasers.

Le National Ignition Facility (NIF) du laboratoire national Lawrence Livermore possède le laser le plus puissant de la planète. Il concentre 500 térawatts de puissance — l’équivalent de la puissance de toutes les centrales électriques du monde entier — sur une petite cible qui contient des combustibles pour la fusion.

Sous l’effet des lasers, la cible devient 30 fois plus petite, chauffe à des centaines de millions de degrés et implose en provoquant une réaction de fusion.

« Nous pouvons créer une petite étoile de 50 microns au centre de la chambre d’expérience et prendre des images », dit le directeur des activités du NIF, Bruno Van Wonterghem.

Cette étoile n’existe que pour un billionième de seconde. Et juste ça, ça peut créer tellement d’énergie. C’est comme un petit miracle.

Bruno Van Wonterghem, directeur des activités du NIF

Mais jusqu’à maintenant, la production d’un plasma en combustion thermonucléaire ne s’est pas encore matérialisée en raison de réactions imprévues.

« Il y a des interactions avec le laser et le plasma qu’on ne peut pas préciser. On ne peut pas les comprendre, on ne peut pas même les modéliser correctement. C’est tellement complexe », avoue le physicien Erik Storm. Les recherches se poursuivent pour améliorer les résultats.

Des pistons pour la fusion

En parallèle à ces grands projets institutionnels, plusieurs petites entreprises privées se sont aussi lancées dans la course à la fusion nucléaire en croyant pouvoir tirer leur épingle du jeu grâce à des concepts novateurs.

L'entreprise canadienne General Fusion de Burnaby, en Colombie-Britannique, a été fondée par le physicien québécois Michel Laberge. Il s'est entouré d’une équipe qui travaille sur les composantes d’une machine qui a l’air sortie d’un film de science-fiction. Il compte maîtriser l’énergie de l’avenir grâce à une technologie de la révolution industrielle : le piston.

La machine de General Fusion comptera 200 pistons qui frapperont simultanément une sphère. L’intense onde de choc produite devrait comprimer du plasma inséré au milieu de la sphère et produire de la fusion.

Michel Laberge croit que son concept sera attrayant pour une éventuelle centrale en raison des coûts moins élevés que les grands projets américains et européens.

« Il n’y a pas d’aimant supraconducteur, il n’y a pas de laser. Il n’y a pas d’accélérateur électromagnétique et tous les machins que les gens essaient de mettre dans leurs fusions, dit-il. Les gens me disent : "Tu es stupide d’utiliser des pistons, tu devrais utiliser quelque chose de plus moderne!" Mais il ratent complètement le programme. Le truc, c’est qu’il faut que ça ne soit pas cher et il faut que ça marche! »

Après plus de sept ans de recherches, General Fusion aussi fait face à des défis. Le plasma ne se comprime pas encore tel que prévu. L’équipe espère produire un gain net d’énergie d’ici une dizaine d’années.

La course vers la fusion nucléaire est devenue un long marathon dont le fil d’arrivée a constamment été repoussé. À moins d’une percée surprise des efforts privés ou d’un bond technologique augmentant nos capacités de stockage des énergies renouvelables, la planète devra peut-être attendre la deuxième moitié du siècle avant d’être sauvée.

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