C’est officiel : la conception d’une centrale européenne à fusion nucléaire est désormais entamée, avec pour objectif la commercialisation de cette électricité « propre » d’ici 2054. La première phase, d’une durée de cinq ans, sera consacrée aux décisions technologiques clés, qui contribueront à faire passer l’énergie de fusion du stade de concept à l’exploitation commerciale. La centrale de démonstration, baptisée DEMO, devrait fournir une puissance de 300 à 500 mégawatts.
La recherche dans le domaine de la fusion nucléaire va bon train. C’est en effet l’une des meilleures solutions envisagées pour produire de l’énergie sans émissions de CO2 ni déchets radioactifs. Parce qu’elle repose sur des ressources quasi inépuisables et qu’elle ne présente aucun risque (pour l’Homme comme pour l’environnement), la fusion nucléaire est considérée comme une source d’énergie sûre et pérenne. De nombreux physiciens tentent de concevoir le réacteur idéal, capable de produire plus d’énergie qu’il n’en faut pour initier et maintenir la réaction de fusion.
Les records, en termes de rendement et de durée de vie du plasma, se font de plus en plus fréquents — preuve que nous nous rapprochons toujours un peu plus du but. La plupart des projets mettent en œuvre des tokamaks, des machines conçues pour confiner du plasma brûlant à l’aide de puissants aimants. La centrale DEMO ne fera pas exception : elle reposera elle aussi sur un tokamak, puis collectera la chaleur de la réaction pour la transformer en électricité. Mais beaucoup de paramètres restent à définir avant d’envisager sa construction.
Un projet qui réunit près de 5000 experts de toute l’Europe
Le consortium de recherche EUROfusion réunit près de 5000 experts de toute l’Europe autour du programme de R&D sur la fusion le plus important et le plus complet au monde. Au début de l’année, les chercheurs d’EUROfusion ont déjà démontré le potentiel de la fusion en établissant un record mondial de 59 mégajoules d’énergie de fusion soutenue au Joint European Torus (JET) à Culham, au Royaume-Uni — actuellement le tokamak le plus grand et le puissant au monde.
Ce récent record renforce la crédibilité du projet ITER, actuellement en construction dans le sud de la France — dont la production du premier plasma est prévue pour décembre 2025 — et se pose également en faveur du développement de la centrale DEMO. Le JET, comme tous les autres tokamaks existants, sert en quelque sorte de bancs d’essai ; ils sont l’occasion de tester différents matériaux et dispositifs de confinement pour déterminer la meilleure façon de produire de l’énergie. Mais jusqu’à présent, le « gain net » d’énergie n’a jamais été atteint.
La centrale devra être capable de contrôler et de maintenir le plasma beaucoup plus longtemps que les expériences réalisées jusqu’à présent. D’ici là, plusieurs problèmes restent à élucider, à commencer par la surgénération de tritium — l’un des deux combustibles nécessaires à la réaction. La fusion du deutérium et du tritium (qui sont deux isotopes de l’hydrogène) produira un noyau d’hélium et un neutron. Le deutérium peut être obtenu à partir de l’eau, il est donc quasiment inépuisable. Le tritium sera produit pendant la réaction de fusion, lorsque les neutrons générés interagiront avec les modules de lithium recouvrant la chambre à vide.
Encore faut-il que les neutrons puissent s’échapper du plasma pour venir frapper les parois du tokamak et que celles-ci soient capables de résister à cet afflux de neutrons ! Ceci est d’ailleurs valable non seulement pour la centrale de démonstration, mais aussi pour tous les autres réacteurs à fusion, tel qu’ITER. La forme du tokamak, allongée ou sphérique, doit elle aussi être mûrement réfléchie.
Un état de l’art partagé avec toute la communauté scientifique
L’équipe réunie autour de DEMO a présenté le résultat de sa phase préconceptuelle (2014-2020) dans un numéro spécial de la revue Fusion Engineering & Design. Elle partage ainsi l’état de l’art en matière de conception de centrales de démonstration, à travers 25 publications scientifiques en libre accès, évaluées par des pairs. La conception d’aimants, le choix des matériaux, la production de tritium, l’extraction de la chaleur, la sûreté nucléaire, … absolument tous les points critiques sont abordés.
« Les activités de conception et de R&D de DEMO en Europe bénéficient largement de l’expérience acquise lors de la conception, de l’octroi de licences et de la construction d’ITER », soulignent Gianfranco Federici, chef du département « Technologie de la fusion » d’EUROfusion, et Tony Donné, directeur du programme EUROfusion. Tous deux rappellent toutefois que des incertitudes dans la science et l’ingénierie de la fusion persisteront tout au long des phases de conception et d’ingénierie.
Les deux chercheurs précisent par ailleurs que les travaux de DEMO ne peuvent attendre l’achèvement d’ITER : « Si les efforts de conception technique DEMO commencent trop longtemps après la livraison d’ITER, une main-d’œuvre hautement qualifiée et expérimentée sera perdue au profit d’autres industries, avec une inévitable fuite des cerveaux et une perte des enseignements tirés », écrivent-ils en conclusion de la série d’articles, insistant sur le fait que des programmes d’éducation et de formation dédiés à la fusion nucléaire seront essentiels pour soutenir son développement et son déploiement.
Le design conceptuel devrait être achevé en 2027, mais il est peu probable que DEMO soit la première centrale à fusion nucléaire au monde. En effet, plusieurs sociétés privées du secteur, telles que Tokamak Energy et First Light Fusion, au Royaume-Uni, prévoient la mise en service d’une centrale dans les années 2030. La Chine a quant à elle annoncé que son China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) produira jusqu’à 2 gigawatts lorsqu’il sera terminé vers 2035. Le Royaume-Uni se dit également sur le point de lancer sa première centrale à fusion, baptisée STEP (pour Spherical Tokamak for Energy Production), dont la construction sera achevée autour de 2040.
Le neutron est
une particule subatomique de charge électrique nulle qui, avec le
proton, constitue les noyaux des atomes, et plus généralement la
matière baryonique. De nombreux domaines d'application se... [...]