A Saint-Paul-lez-Durance, ils fabriquent une étoile en laboratoire !

Ça se passe à Saint-Paul-lez-Durance, en pleine Provence, et presque personne n’en parle… Vite, il est temps de réparer cette injustice !

Aujourd’hui, nous partons à la découverte de l’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), le laboratoire où s’invente l’énergie du futur. Nucléaire… mais vert ? Chez Octopus Energy, ça nous intéresse et on vous raconte !

Mais que cache ce gigantesque laboratoire provençal ?

Quand 1 + 1 n’est pas égal à 2

La plupart des énergies que nous exploitons sur Terre sont en fait des dérivés de l’énergie solaire… Les éoliennes ? Elles profitent des vents induits par les écarts de températures. Les barrages ? Ils récupère l’eau de pluie, que l’évaporation se charge de remonter jusqu’aux sommets des montagnes. Nos propres muscles ? Ils consomme des glucides, c’est à dire des plantes qui poussent grâce à la photosynthèse… Et ainsi de suite.

Mais le soleil, lui, comment fait-il pour produire toute cette énergie, sans qui la Terre ne serait qu’un cailloux stérile et froid ? En fait, comme toutes les étoiles, le Soleil est une centrale nucléaire cosmique… Mais attention, mais n’importe quelle centrale nucléaire ! Nous, dans nos centrales, nous pratiquons la fission nucléaire ; c’est à dire que nous cassons des noyaux d’atomes. Les étoiles, elles, pratique la fusion nucléaire ; c’est à dire qu’à l’inverse, les noyaux s’assemblent pour en former de plus lourds (ce qui libère encore plus d’énergie). Concrètement, dans l’espace, ce sont des atomes d’hydrogènes qui s’agglutinent pour former des atomes d’hélium.

Mais d’où provient l’énergie ? En fait, dans le monde nucléaire, 1+1 ne fait pas forcément 2. Quand les atomes fusionnent, le produit obtenu est plus léger que la somme des deux composants… De la matière s’est perdue ! Idem dans le cas de la fission : quand un atome lourd se sépare en deux, de la matière disparaît… Ou plutôt, elle se “transforme” en énergie. Car nous l’avons vu dans notre article sur le concept d’énergie : la masse (donc la matière) et l’énergie sont équivalentes, et reliées par la fameuse équation e=mc² ! C’est donc cette équation qui connecte tous les phénomènes de réactions nucléaires.

Mais comment s’opère alors le miracle de la fusion dans le coeur des étoiles ? C’est qu’on y trouve des conditions très particulières, à savoir, un pression très élevée (200 milliards de fois la pression terrestre) et une température qui avoisine les quinze millions de degrés. Du coup, il “suffirait” de reproduire ces conditions sur terre pour déclencher une fusion nucléaire… Impossible, vous dites ?

Et pourtant. Le projet ITER voit plus loin et prévoit d’atteindre, dès 2025, des températures… dix fois supérieures encore. Voyons, dans le détail, comment les scientifiques comptent relever ce défi pharaonique.

Recette pour un coeur d’étoile (fondant)

Pour accomplir une fusion, l’idée consiste à placer un gaz dans des conditions extrêmes de température et de pression. Tout cela se passe à l’intérieur d’un réacteur nucléaire un peu spécial que nous appelons tokamak. Pour le moment, le gaz que nous avons choisi est une combinaison de tritium et de deutérium, deux isotopes de l’hydrogène (en gros, des variantes de l’hydrogène). Ces isotopes sont très faciles à obtenir. Le deutérium s’obtient en distillant de l’eau. Le tritium, lui, peut être obtenu en modifiant un peu le lithium, un métal léger présent en abondance la croûte terrestre et dans l’océan – les ressources seraient suffisantes pour tenir six millions d’années !

Un tokamak ressemble à cela. La partie rouge, c’est là où se concentre le plasma.

On dit souvent qu’il prend “une forme de donuts”.

Bon. Nous avons notre combustible. Maintenant, il va falloir le chauffer. Comment atteindre une température de 150 000 millions de degrés ? C’est un peu compliqué. En gros, le réacteur ITER doit cumuler trois technologies :

• Le chauffage ohmique, qui provient d’un courant électrique de haute intensité.

• L’injection de neutres, qui consiste à “tirer” des atomes bien particuliers dans le gaz pour lui transférer progressivement de l’énergie.

• Les ondes électromagnétiques, qui fonctionnent un peu comme nos micro-ondes à la maison.

Ainsi, notre combustible va progressivement se transformer en plasma ; c’est le quatrième état de la matière, celui dont on ne parlait jamais à l’école (en plus de l’état solide, liquide et gazeux). Dans un plasma, les électrons s’arrachent aux noyaux, formant une sorte de “soupe” flottant tout autour… En quelque sorte, le plasma est un état “au delà du gaz”, où les atomes eux-même deviennent gazeux…

Bon. Nous avons notre plasma. Il est chaud. Très chaud. Aucun matériaux ne supporterait une telle température : un simple contact vaporiserait immédiatement nos bétons et nos métaux les plus solides. Il va donc falloir confiner notre combustible, c’est à dire le maintenir “en suspension”, dans le vide… Comme les plasmas sont composés d’électrons libres, ils sont très sensibles aux champs magnétiques, et c’est cette propriété que les scientifiques vont utiliser. En activant de gros aimants très puissants, ils réussissent à “pousser” le plasma loin des parois, qui, elles, ne recevront en moyenne que des températures proches de dix-milles degrés (ce que nous savons parfaitement gérer).

Le reste de l’histoire est beaucoup plus classique. Une centrale à fusion nucléaire n’étant, au final, qu’une centrale thermique : les paroies du réacteur transmettent la chaleur à de l’eau, qui, mise sous pression, fera tourner des turbines produisant le courant électrique…

Néanmoins, une question se pose… S’il faut des quantités monstrueuses d’énergie pour chauffer le plasma, puis pour le confiner, l’opération sera-t-elle vraiment rentable ? Tout dépend, en fait, d’un mystérieux facteur Q…

Le facteur Q, nerf de la guerre

Ce qu’il faut comprendre, c’est que le tokamak n’est pas un générateur d’énergie. C’est un amplificateur. Une caisse de résonance pour l’énergie qu’on lui apporte.

Le bilan énergétique de l’opération est défini par le facteur Q, c’est à dire, le quotient d’amplification, qui correspond à l’énergie libérée par la fusion, divisée par l’énergie consommée. Si Q est supérieur à 1, cela veut dire que le rapport est positif : on gagne de l’énergie dans le processus !

Le projet ITER, quant à lui, espère atteindre Q=10. Idéalement, les futurs réacteurs à fusion devraient monter jusqu’à Q=50. Le record mondial actuel est détenu par le tokamak européen JET ; en 1997, cet appareil a décroché le modeste résultat de Q=0,67.

De manière intéressante, Q peut aussi devenir… infini. C’est ce qu’on appelle “le seuil d’ignition” : la réaction se suffit à elle même et s’auto-entretient, sans apport d’énergie… C’est exactement ce qui se produit au coeur des étoiles. Les scientifiques croient pouvoir atteindre ce stade un jour. Ce serait très rentable, mais, en même temps, une telle fusion serait bien difficile à “éteindre”. Pour le moment, donc, il n’est pas prévu de la mettre en oeuvre.

Les avantages de la fusion nucléaire

Mais pourquoi se donner tant de mal ?

Le fait est que la fusion nucléaire incarne l’un des grands rêves de l’humanité : une source d’énergie abondante, très peu coûteuse (pas plus, en tout cas, que l’électricité actuelle), qui n’émet aucun C02 et ne génère pas de déchets radioactifs. De plus, les combustibles de base sont présents partout sur la planète : aucun pays ne les détiendrait en priorité.

Par ailleurs, même s’il s’agit d’une technologie complexe, la fusion s’avère assez peu risquée. Contrairement aux centrales nucléaires actuelles, les tokamaks ne peuvent pas s’emballer ou devenir hors de contrôle, comme à Fukushima par exemple ; à la moindre perturbation, le processus de fusion s’interrompt en en quelques secondes.

Sur place, les ingénieurs travaillent d’arrache pied pour achever la construction à temps…

Concrètement, où en sommes nous sur ce projet ITER ?

La fusion nucléaire est une vieille ambition. Elle prend ses racines dans le programme Atoms for Peace, démarrant en 1953, sous l’égide des américains qui décident d’explorer les possibilités de l’énergie nucléaire. Si celle-ci permet de fabriquer des armes de destruction et de mort, ne pourrait-elle pas être maîtrisée, et utilisée pour le bien de l’humanité ?

Ironiquement, ce ne sont pas les américains mais les russes qui inventeront le premier modèle de tokamak, en 1968. Ce modèle de réacteur s’impose ensuite dans le monde comme le concept dominant.

Malheureusement, le contexte de Guerre Froide empêchent une véritable coopération scientifique mondiale**. Il faudra donc attendre le dégel pour que la fusion nucléaire revienne sur le devant de la scène. En 1985, le projet ITER est lancé sur des rails.** Petit à petit, plus de pays rejoignent l’aventure. Désormai, il réunit la Chine, l’Union Européenne (plus la Suisse et le Royaume-Uni), l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les Etats-Unis. Après de longues négociations, l’emplacement du réacteur est choisi : c’est la France qui l’accueillera.

Les travaux commencent en 2014. Les premières pièces du réacteur sont posées en février 2020…

La suite du “chemin”

En latin, ITER signifie “le chemin”. Jusqu’où celui-ci nous mènera ? Les scientifiques du projet pensent obtenir un premier plasma pour décembre 2025. L’échéance est crédible, car beaucoup de pays travaillent aussi de manière indépendante, chacun de leur côté… En obtenant des résultats déjà significatifs.

En 2016, les Coréens ont confiné un plasma pendant plus de 70 secondes, établissant un nouveau record. En 2019, les Chinois ont atteint, le temps de quelques secondes, une température de 100 millions de degrés. Pendant ce temps, aux Etats-Unis, le MIT travaille sur son propre prototype et compte produire de l’électricité dès 2035.

Les projets se multiplient. Les investissements aussi. Il faut dire que les enjeux sont énorme… Le “chemin” sera long, semé d’embûches, mais à la clef, peut-être, se trouve notre salut !
Serait-ce là l’énergie verte du futur ?