Et si le Soleil brillait sur Terre ?

En juin 2005, le site européen de Cadarache était choisi pour accueillir le réacteur expérimental de fusion Iter et avec lui, une énergie prometteuse en termes de disponibilité, de sûreté et de respect de l’environnement.

partie 1

Pourquoi s'intéresser à l'énergie de fusion ?

Face au constat sans appel d'une future pénurie d'énergie, les scientifiques se penchent, depuis plusieurs années déjà, sur de nouvelles sources d'énergie. Le nucléaire a ainsi fait ses premiers pas dans les années 1950 et fournit aujourd'hui à la France plus de 80 % de son électricité.

Dans les centrales nucléaires actuelles, on utilise la fission nucléaire, c'est-à-dire « l'éclatement » de noyaux d'uranium, pour produire de l'énergie et par extension de l'électricité. Mais les réserves d'uranium ne sont pas inépuisables, tout au plus 50 ans de réserves, et les déchets produits sont radioactifs pendant des milliers voire des milliards d'années.

Mais le nucléaire n'a pas dit son dernier mot. Il peut faire appel à la fusion nucléaire. Cette fois-ci, il ne s'agit plus de scinder des noyaux d'uranium pour obtenir de l'énergie mais de faire fusionner entre eux des noyaux d'hydrogène. L'équation est « simple » : hydrogène + hydrogène = énergie. Cette méthode a fait ses preuves puisqu'elle permet au Soleil, et à toutes les étoiles, de produire lumière et chaleur. Sur Terre, cette équation fait rêver car l'hydrogène est une matière première inépuisable, que l'on trouve notamment dans l'eau (H₂O).

Une équation simple sur le papier mais bien plus difficile à reproduire en laboratoire. Les recherches sur la fusion ont débuté dans les années 1950. Pour se donner aujourd'hui toutes les chances de réussite, la communauté scientifique du monde entier (Chine, Corée du Sud, États-Unis, Europe, Japon et Russie) a décidé de construire un immense réacteur expérimental : Iter.

L'existence d'une énergie prometteuse en termes de disponibilité, de sûreté et de respect de l'environnement s'est alors répandue comme une traînée de poudre à travers la population, entraînant simultanément scepticisme, critique et enthousiasme.

partie 2

Les réactions qui se produisent au cœur du Soleil sont dévoilées par les physiciens au début de ce siècle, dans les années 1930. Rapidement, l'idée de reproduire ces réactions en laboratoire afin d'obtenir une source d'énergie aussi puissante que le Soleil ne tarde pas à germer dans l'esprit des scientifiques. Sur Terre, le candidat n'est pas l'hydrogène lui-même mais deux éléments très proches : le deutérium et le tritium⁽¹⁾. Les expériences se succèdent et les premiers réacteurs apparaissent dans les années 1950. Les Russes sont en tête de liste avec des machines très performantes qui deviendront des références dans le domaine : les tokamaks.

partie 3

Naissance du projet Iter

À l'heure actuelle, de nombreux réacteurs existent aux quatre coins de la planète : JT-60 au Japon, Jet en Angleterre, TFR et Tore Supra en France... Alors pourquoi en construire un nouveau ? La raison est une question de taille. Plus le réacteur est grand, plus l'isolation thermique du cœur du plasma est bonne, plus il est « facile » d'atteindre les très hautes températures nécessaires aux réactions de fusion. Il s'agit donc d'une étape indispensable pour pouvoir envisager d'utiliser cette source d'énergie à l'échelle industrielle. C'est ainsi qu'en 1985, le projet international d'Iter est né. Plus de 15 années d'études et de validations ont suivi avant que le réacteur n'arrive à sa forme définitive. Aujourd'hui, le site est choisi et la construction va débuter.

Iter, un projet de taille

Pays participants	Chine, Corée du Sud, États-Unis, Union européenne, Japon et Russie
Coût	10 milliards d'euros sur 30 ans (construction + exploitation)
Mission	démontrer la faisabilité scientifique et technique de la fusion thermonucléaire
Dimensions	12,4 m de diamètre ; 27 m de haut ; 800 m3 de plasma
Combustible	deutérium et tritium
Rentabilité à atteindre	produire 10 fois plus d'énergie qu'il n'en consomme
Temps de construction	10 ans
Temps d'exploitation	20 ans
Personnel (chercheurs et techniciens)	1 000

partie 4

La matière dans tous ses états

Première étape : faire fusionner le deutérium et le tritium, deux isotopes de l'hydrogène⁽²⁾. L'exercice n'est pas simple puisque ces deux noyaux positifs, par définition, se repoussent. Pour augmenter leurs chances de rencontre et de fusion, on injecte le mélange gazeux dans une sorte de grand « four », appelé tokamak, et on augmente la température à plus de 100 millions de degrés. Les atomes s'agitent alors de plus en plus, prennent de la vitesse et s'entrechoquent. Au cours de la manœuvre, les atomes se disloquent « véritablement » : les électrons, qui d'ordinaire gravitent autour du noyau, prennent leur indépendance. Ce mélange gazeux forme le plasma.

Vient alors un deuxième défi : réussir à conserver le plasma au même endroit, condensé, afin d'éviter qu'il ne se refroidisse⁽³⁾. Pour cela, le plasma est « piégé » dans des champs magnétiques très intenses (50 000 fois le champ terrestre), comme dans une cage virtuelle. Ces deux premières étapes sont aujourd'hui franchies. Les scientifiques tentent maintenant de mieux maîtriser le plasma et d'accroître sa production d'énergie.

Le plasma au quotidien

Parmi les différents états de la matière, on oublie souvent d'en citer un. Après l'état solide, l'état liquide et l'état gazeux, il y a... le plasma. On parle d'ailleurs du quatrième état de la matière. Le plasma est très répandu. L'Univers, et notamment les étoiles, est composé à plus de 99 % de plasma. Dans les hautes couches de l'atmosphère terrestre, l'air, exposé en première ligne aux rayonnements solaires, est à l'état de plasma. Enfin sur Terre, on a les tubes néons, remplis de plasma, les écrans à plasma ou encore certaines torches à plasma, utilisées pour souder.

partie 5

Quels matériaux pour emprisonner le Soleil ?

Si les résultats concernant la maîtrise du plasma sont signifiants, il n'en est pas de même pour les matériaux chargés de contenir cette réaction. À l'heure actuelle, aucun matériau ne peut résister très longtemps au rayonnement énergétique libéré au cours des réactions de fusion⁽⁴⁾. Certains chercheurs, sceptiques vis-à-vis du projet Iter, n'ont d'ailleurs pas manqué de soulever cette faiblesse. « On nous annonce que l'on va mettre le Soleil en boîte. La formule est jolie. Le problème, c'est que l'on ne sait pas fabriquer la boîte » observe le physicien Sébastien Balibar, de l'École normale supérieure de Paris⁽⁵⁾. L'un des objectifs d'Iter sera justement de mettre au point les futurs matériaux qui serviront à construire les centrales à fusion.

partie 6

La fusion est-elle une énergie propre ?

Le seul déchet produit par la réaction de fusion elle-même est l'hélium, un gaz inoffensif pour l'environnement. Par contre, les neutrons libérés lors des réactions de fusion viennent percuter les parois du réacteur. La matière se trouve dès lors bouleversée, devient instable et radioactive. Les matériaux de construction des réacteurs deviendront ainsi des déchets radioactifs, qu'il faudra stocker pendant une centaine d'années avant de pouvoir les réutiliser.Les robots réparateurs

L'intérieur du réacteur nucléaire abritera de la radioactivité. Pour assurer l'entretien des machines, réparer ou changer n'importe quelle pièce du réacteur, l'homme fera appel à des bras mécaniques et autres « robots serpents ».

partie 7

La fusion : réalité ou fiction ?

On ne sait pas aujourd'hui récupérer suffisamment d'énergie des réactions de fusion pour produire de l'électricité en grande quantité. Grâce à Iter et aux connaissances internationales déjà acquises dans le domaine, les physiciens ont relevé le pari de démontrer qu'une centrale à fusion peut produire en continu 30 à 40 fois plus d'énergie qu'elle n'en consomme. Cette rentabilité est en effet indispensable à atteindre pour que le projet soit économiquement viable. Dans le meilleur des mondes, la première génération de réacteurs à fusion industriels verra le jour en 2050.