La fusion nucléaire, une question de temps…

L’énergie nucléaire peut être libérée de deux façons : en cassant des noyaux atomiques lourds ou en fusionnant des noyaux très légers, ce qu’on appelle respectivement la fission et la fusion nucléaire.
Pour ce qui est de la fusion, la masse du noyau produit est inférieure à la somme des masses des noyaux légers d’origine. Or, en vertu de la célèbre loi établie par Albert Einstein « E=mc2 », la différence de masse est convertie en énergie. On peut notamment observer ce phénomène de fusion au sein des étoiles dans lesquelles une énergie colossale est libérée. Le phénomène de fusion nucléaire se différencie donc de celui de la fission nucléaire dans lequel un atome lourd se scinde en deux atomes plus légers avec un dégagement d’énergie nettement inférieur.
Le processus de fusion nucléaire ne peut avoir lieu que dans des conditions de température et de pression bien particulières. Plus précisement au coeur du Soleil, la pression est égale à 200 milliards de fois la pression atmosphérique terrestre et la température centrale atteint environ 15 millions de degrés. Dans ces conditions, les noyaux légers d’hydrogène (75% de la composition du Soleil) fusionnent en noyaux d’hélium (24%) approximativement deux fois plus lourds, créant ainsi la lumière et la chaleur que nous percevons sur Terre.
Et comment produire de l’électricité avec tout ça ?

Les physiciens comptent obtenir la fusion de deux éléments très proches de l’hydrogène : le deutérium (élément présent dans l’eau et donc de ce fait en très grande quantité) et le tritium (peut être fabriqué à partir du lithium que l’on trouve dans la croûte terrestre (20 mg/kg) ou dans les océans (0,00018 mg/m3)), pour lesquels les conditions de fusion sont plus facile à atteindre qu’avec l’hydrogène lui-même. La fusion du deutérium et du tritium donne naissance à un noyau d’hélium, un neutron et à un fort dégagement de chaleur. L’hélium va continuer sa course dans le plasma et participer à maintenir une température suffisamment élevée pour que les réactions de fusion continuent.
Pour rappel le plasma est considéré comme le 4e état de la matière après les états liquide, solide et gazeux. Quand on arrive à de très hautes températures, les constituants de l’atome se séparent, noyaux et électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre : c’est un plasma.
Les neutrons, quant à eux, vont venir percuter les parois du réacteur et les chauffer. Cette chaleur sera alors récupérée par un fluide, de l’eau par exemple, qui circulera derrière ces parois. Elle permettra ensuite, une fois transformée en vapeur, d’actionner des turbines et de produire de l’électricité.
En quantité requise, quelques grammes de combustible suffiront pour déclencher et entretenir les réactions de fusion. Une centrale à fusion aura ainsi besoin de 100 kg de deutérium et de 3 tonnes de lithium (contre 1,5 million de tonnes de charbon pour une centrale thermique) pour fonctionner toute une année.

ETAPE 1: LA FUSION DE LA MATIERE. Faire fusionner le deutérium et le tritium, deux isotopes* de l’hydrogène. L’exercice n’est pas simple puisque ces deux noyaux de même charge électrique positive se repoussent. Pour augmenter leurs chances de rencontre et de fusion, on injecte le mélange gazeux dans le TOKAMAK, et on porte 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, perdant progressivement leurs électrons. Le gaz fait place au plasma, mélange composé de noyaux et d’électrons…
Un TOKAMAK est une machine capable de créer et confiner un plasma chaud à près de 150 millions de degrés, dans une cage magnétique, en forme d’anneau. C’est en quelque sorte un four qui permet de créer un plasma et de le maintenir en son cœur grâce à des champs magnétiques très puissants.
Les propriétés de confinement du plasma (c’est-à-dire la qualité de la « cage magnétique ») sont obtenues en imposant une forme d’hélice aux lignes de champ magnétique. Cet enroulement est obtenu en superposant le champ magnétique fourni par des bobines entourant le plasma (les bobines magnétiques toroïdales) et celui fourni par un fort courant électrique circulant dans le plasma lui-même. Ce courant est induit dans le plasma par ‘effet transformateur’, le circuit primaire dudit transformateur étant la bobine magnétique centrale et le circuit secondaire le plasma.
ETAPE 2: CONTENIR LA MATIERE DANS LE MEME ETAT. L’objectif est de conserver le plasma au même endroit afin d’éviter qu’il ne se refroidisse. Pour cela, le plasma est « piégé » dans des champs magnétiques très intenses (50 000 fois le champ terrestre), comme dans une cage virtuelle.
Le seul déchet produit par la réaction de fusion elle-même est l’hélium, un gaz inoffensif pour l’environnement. En revanche, les neutrons libérés lors des réactions de fusion viennent percuter les parois du réacteur et rendent leur matière radioactive. Certains matériaux de structure des futurs réacteurs deviendront ainsi des déchets radioactifs, qu’il faudra stocker pendant une centaine d’années avant de pouvoir les réutiliser.
Le programme ITER [International Thermonuclear Experimental Reactor] et un programme international et vise à rendre une usine électrique à fusion économiquement viable. A l’issue du développement de ce programme sera lancé le projet DEMO (Demonstration Power Plant) qui sera relié au réseau électrique et fera donc office de démonstrateur et ouvrira la voie à une exploitation industrielle et commerciale. Cependant l’état actuel des connaissances scientifiques ne permet pas aujourd’hui d’extraire suffisamment d’énergie des réactions de fusion pour produire de l’électricité. De plus, on ne sait pas encore fabriquer de matériaux pouvant résister assez longtemps au rayonnement et au flux de neutrons libérés au cours de ces réactions. Les scientifiques estiment que les technologies nécessaires à la mise en œuvre de la fusion nucléaire contrôlée à des fins de production énergétique ne seront pas disponibles avant de nombreuses décennies. La route reste donc encore très longue avant de voir émerger ses nouvelles usines à fusion, une course contre la montre est engagée…