La production d’énergie à partir de la fusion nucléaire n’est pas un concept nouveau. Depuis plus de trois quarts de siècle, nous savons que des étoiles comme le Soleil compriment les atomes d’hydrogène pour créer de l’hélium. Lorsque ces atomes légers fusionnent, de l’énergie est libérée. La fission nucléaire, qui est le processus utilisé par les réacteurs nucléaires actuels connectés au réseau, génère de l'électricité en divisant les atomes lourds pour libérer l'énergie stockée.
À LIRE SUIVANT: Qu’est-ce que l’énergie nucléaire? Fusion nucléaire
Si la fission génère des déchets nucléaires, la fusion est beaucoup plus propre. Compte tenu de nos préoccupations croissantes en matière d’approvisionnement énergétique, l’énergie de fusion a le potentiel de fournir une énergie propre et abondante pendant des siècles. Cependant, nous n’avons pas encore atteint le processus de fusion continu et contrôlé nécessaire pour en tirer efficacement l’énergie.
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La puissance de fusion n’est plus un problème de physique, mais un problème d’ingénierie. La fusion nucléaire contrôlée est réalisable depuis 1951, lorsque la première expérience de fusion réussie au monde a été réalisée au
Laboratoire national de Los Alamos à l'aide d'une machine à pincer en Z. Cependant, transformer une expérience de laboratoire en un processus industriel est difficile dans le meilleur des cas. Cela est particulièrement vrai lorsque vous extrayez essentiellement de l’énergie d’un soleil artificiel.
Un réacteur à fusion typique comprime le deutérium et le tritium ensemble, les chauffant jusqu'à 150 000 000 °C sous vide pour créer un plasma maintenu en place par un puissant champ magnétique. Ces champs magnétiques ne sont pas sans rappeler ceux observés sur le noyau de distorsion du Starship Enterprise.
Rencontrez le soleil JET
LeTore européen commun (JET) auCentre Culham pour l'énergie de fusion (CCFE) est un projet purement expérimentaltokamak réacteur. Construit en 1977 en collaboration avecEUROfusion, JET est la première étape de la réalisation d'une centrale électrique à fusion.
"ITER devrait être trois fois plus grand que JET et peser 23 000 tonnes, soit environ le poids de 115 baleines bleues."
De nombreuses conclusions du JET éclairent la conception de ITER (du latin « la voie »), qui est la prochaine génération de réacteur à fusion expérimental, actuellement en construction en France. ITER devrait être trois fois plus grand que JET et peser 23 000 tonnes, soit environ le poids de 115 baleines bleues. Les découvertes d'ITER mèneront à leur tour à la création de la première centrale électrique à fusion de démonstration, appelée DÉMO.
Cependant, avant que les centrales à fusion ne soient pleinement réalisées, plusieurs problèmes clés doivent être résolus. "Nous avons réalisé la fusion sur JET: la physique des plasmas est en grande partie résolue", déclare Damian Brennan, chef du département des opérations actives du CCFE. "Vient maintenant les tâches d'ingénierie."
Les réacteurs à fusion sont des machines colossales. Le réacteur du JET a la taille d’une grande maison et est contenu dans un bâtiment de la taille d’un hangar d’avion. Ces réacteurs sont également incroyablement complexes: plus de 2 500 cabines de contrôle sont nécessaires pour gérer le JET. Si une cellule tombe en panne, le processus ne fonctionnera pas.
"Le CCFE doit éviter de faire fonctionner JET pendant les périodes de pointe de demande d'électricité, comme lors des pauses publicitaires lors des programmes télévisés populaires, afin d'éviter de surcharger le réseau national."
Il faut 16 semaines de préparation pour démarrer JET, les arrêts sont donc coûteux en temps et en argent. Les redémarrages nécessitent de longues périodes de tests d'étanchéité pour garantir que la pression de vide de 1 × 10‑8mbar, nécessaire à la génération de plasma, est maintenu. S'ensuit une montée en puissance des systèmes à faisceaux neutres et du plasma, jusqu'à ce que les conditions de fonctionnement optimales soient atteintes.
Pour le moment, JET ne peut créer des explosions de plasma que pendant 30 secondes toutes les 20 minutes et nécessite 1 % de la capacité du National Grid pour chaque explosion de plasma. Le CCFE doit éviter de faire fonctionner JET pendant les périodes de pointe de demande d’électricité (appelées « périodes d’évitement des impulsions »), comme les pauses publicitaires pendant les programmes télévisés populaires, pour éviter d'imposer une charge excessive au réseau national. Grille.
"Les matériaux qui seront exposés au processus de fusion doivent être capables de résister aux dommages causés par les neutrons, avoir une faible activation et être suffisamment robustes pour pouvoir durer des années plutôt que des mois."
La puissance de fusion crée une usure énorme sur les composants du réacteur. Outre la chaleur et la pression colossales nécessaires à la fusion, le plasma émet des neutrons rapides, qui s'incrustent dans les tuiles protectrices entourant le cœur du réacteur.. Au fil du temps, ceux-ci provoquent une fragilisation par irradiation, conduisant à une dégradation accélérée des matériaux de structure du réacteur.
Ainsi, les matériaux qui seront exposés au processus de fusion doivent être capables de résister aux dommages causés par les neutrons, avoir une faible activation et être suffisamment robustes pour pouvoir durer des années plutôt que des mois. Le développement des matériaux constitue donc l’un des principaux défis de l’ingénierie.
Pour qu’une centrale à fusion devienne viable, elle devrait être simple, compacte et fiable. De plus, un tel réacteur devrait fournir un « long bourdonnement » de production d’énergie continue. ITER, par exemple, sera conçu pour pulser pendant une heure maximum, avec des aimants supraconducteurs permettant une durée de fonctionnement prolongée.
Plus vert que le charbon, mais plus sûr que la fission
« Malgré les défis, la fusion reste une forme de production d’électricité très tentante. Il ne produit pas de gaz à effet de serre, dispose d’un approvisionnement en combustible potentiellement abondant et présente un risque de radiation considérablement réduit par rapport à la fission nucléaire.
Malgré les défis, la fusion reste une forme de production d’électricité très tentante. Il ne produit pas de gaz à effet de serre, dispose d’un approvisionnement en combustible potentiellement abondant et présente un risque de radiation considérablement réduit par rapport à la fission nucléaire. Les déchets radioactifs d’un réacteur à fusion pourront être recyclés en toute sécurité d’ici un siècle; Les déchets de fission représentent un fardeau environnemental pendant des milliers d’années.
La fusion est également intrinsèquement plus sûre que la fission, car elle ne pose pas le problème de l’énergie stockée. Si le cœur du réacteur se rompt, avant même que la fissure ne soit visible, le champ de plasma s'effondrera en raison de la perte de vide. Tout ce qui restera dans le réacteur est du tritium, qui peut être récupéré en toute sécurité grâce à des systèmes de filtration du tritium.
Cependant, le plasma est un état de matière très instable: dans JET, des panaches de modes dits localisés aux bords (semblables aux éruptions solaires) peuvent souvent être vus se former à partir du champ de plasma. De telles instabilités dans le plasma provoquent des perturbations qui peuvent être si importantes qu'elles provoquent le déplacement du réacteur.
« Il y a longtemps, [les opérateurs du JET] voyaient ce qu'ils pouvaient faire et s'en tiraient plutôt bien, mais ils ont eu une grosse perturbation, alors ils ont fermé plus tôt et sont rentrés chez eux », se souvient Brennan du CCFE. « Le lendemain matin, ils ont reçu un appel téléphonique d’une des stations sismiques de l’université d’Oxford leur disant: « Qu’avez-vous fait hier soir à 20h45? Nous avons enregistré un événement sur votre site! »
« Du soleil dans une bouteille »
« Le lendemain matin, ils ont reçu un appel téléphonique d’une des stations sismiques de l’université d’Oxford leur disant: « Qu’avez-vous fait hier soir à 20h45? Nous avons enregistré un événement sur votre site! »
Des panaches de plasma déversent d'énormes quantités d'énergie dans les parois du réacteur, corrodant les tuiles. Des pastilles gelées de deutérium-tritium, tirées dans le plasma au moment où il y a un « hochet », peuvent amortir les oscillations. Une autre méthode consiste à utiliser des bobines de perturbation magnétique résonante (RPM) autour du plasma pour amortir les perturbations.
L'une des zones les plus sollicitées par le chauffage cyclique est le diverteur, qui élimine la chaleur perdue du plasma pendant le fonctionnement du réacteur. Cela peut subir une charge de puissance allant jusqu’à 30 MW/m². Pour rappel, les tuiles d’une navette spatiale ne reçoivent « que » 10 MW/m² lors de la rentrée atmosphérique. Les scientifiques envisagent d'utiliser un gaz tampon composé d'azote pour absorber une partie de la chaleur avant qu'elle n'atteigne le divertor, réduisant ainsi les charges thermiques.
Actuellement, les carreaux de protection du premier mur de JET sont fabriqués à partir de béryllium et de tungstène. Auparavant, le noyau de fusion était protégé par des tuiles de carbone, qui ont une masse atomique tout aussi faible, mais celles-ci absorbaient trop facilement les combustibles deutérium et tritium, ce qui affectait négativement l'efficacité.
Bien que le deutérium soit relativement abondant sur Terre (il peut être extrait de l’eau de mer), il faut s’attaquer à l’approvisionnement limité en tritium. Une nouvelle technologie est en cours de développement, capable de produire des quantités de plusieurs kilogrammes de tritium à partir de couvertures de lithium enroulées autour des réacteurs à fusion. "En théorie, c'est possible et mathématiquement assez simple, mais il faut quand même concevoir les couvertures", explique Brennan.
"Malgré les nombreux problèmes techniques auxquels est confrontée l'énergie de fusion, nous espérons disposer d'une centrale électrique à fusion économiquement viable d'ici 50 ans."
Les CCFEMise à niveau du tokamak sphérique méga-ampère (MAST-U) est la dernière expérience de fusion du Royaume-Uni et la prochaine étape dans la conception de la fusion. Plus petit et plus simple que JET, MAST-U utilise une forme de pomme évidée. Cela donnera potentiellement une conception beaucoup plus efficace, car elle nécessite un champ magnétique plus faible pour le même niveau de performance. Il intégrera également deux déflecteurs, qui pourront potentiellement répartir la charge thermique. Les résultats de MAST-U éclaireront davantage la conception d’ITER et permettront de mener davantage d’expériences sur le plasma.
Malgré les nombreux problèmes techniques auxquels est confrontée l’énergie de fusion, on s’attend à ce que nous disposions d’une centrale électrique à fusion économiquement viable d’ici 50 ans. "Nous devons le faire", conclut Brennan. « En raison des ressources énergétiques et du réchauffement climatique, nous devons faire quelque chose de différent. Maintenant que nous avons le soleil dans une bouteille, passons à l’ingénierie! »
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Photos: Peter Gatehouse
