ITER, le réacteur à fusion nucléaire, notre futur ?
Les besoins en énergie, aujourd’hui et demain
Dans ce cadre, avec l’augmentation des besoins en énergie, le développement des énergies renouvelables et les débats autour de l’usage des énergies fossiles responsables d’émissions de gaz à effet de serre, la France, les pays d’Europe et du monde entier recherchent de nouvelles alternatives de productions à grandes échelles, pouvant à terme produire autant voire plus que les réacteurs nucléaires actuels, en émettant moins.
Une solution envisagée a été trouvée en regardant… le soleil. Une idée folle en est sortie : et si nous apprenions à maitriser l’énergie du Soleil pour produire de l’électricité ?
La fusion, un peu de physique
Pour comprendre comment fonctionne le Soleil et pourquoi nous voulons l’imiter, il faut comprendre pourquoi nous cherchons à produire de la chaleur, comment se produit les réactions physiques et chimiques au sein de notre étoile, et comment on envisage de la maitriser.
Pourquoi de la chaleur ?
Jusqu’à aujourd’hui, nous n’avons trouvé qu’un seul moyen efficace d’utiliser les sources d’énergies fossiles : les brûler ou les consommer pour produire de la chaleur. Cette chaleur permet de chauffer de l’eau, qui, passant à l’état de vapeur, fait tourner une turbine, qui produira notre électricité.
Donc, pour produire plus d’électricité, on peut jouer sur plusieurs paramètres : la qualité de la turbine, et sa vitesse. Comment augmenter sa vitesse ? En produisant toujours plus de vapeur d’eau. Et pour cela, il nous faut une source de chaleur toujours plus chaude, et toujours plus durable.
D’où le souhait de maitriser l’énergie du Soleil : dans certaines régions de notre étoile, la température atteint plusieurs millions de degrés, soit des températures jamais atteinte dans nos moyens de production d’énergie.
Comment le copier ?
La réaction qui produit tant de chaleur au sein des étoiles est la fusion nucléaire. A la différence de fission nucléaire, que nous exploitons, cela consiste, grossièrement, à faire fusionner des atomes d’hydrogène. Ce processus libère une quantité phénoménale d’énergie, sous forme de chaleur.
Cette réaction est provoquée par un environnement particulièrement contraignant, qui permet d’atteindre des pressions et des températures assez importantes pour provoquer cette réaction.
Alors, comment pouvons-nous envisager de créer ce genre d’environnement à la surface de la Terre ? En palliant cette incapacité à produire une telle pression par notre capacité à chauffer toujours plus un plasma, 4e état de la matière, pour provoquer cette réaction.
Plus précisément, grâce à de forts champs magnétiques, et à des bombardements de micro-ondes, nous sommes capables de porter à des températures de près de 15 millions de degrés Celsius un mélange de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, qui, en fusionnant, produiront des atomes d’hélium et feront échapper des électrons qui transporteront la chaleur voulue.
Les projets en cours ne se contentent pas de copier le Soleil, ils vont jusqu’à le surpasser : nous atteignons actuellement au sein des réacteurs de recherches en activité des températures 10 fois supérieures à celle du Soleil, jusqu’à plus de 150 millions de degrés Celsius.
Quelles ressources ?
Deux consommables principaux sont utilisés, et sont, dans un sens, en stocks particulièrement conséquent sur notre planète :
- Le deutérium : on sait le produire en distillant de l’eau, même salée. C’est donc une ressource « fossile » quasiment inépuisable à notre échelle
- Le tritium : cet élément est très peu présent sur notre planète. Toutefois, on sait le produire au sein même d’un réacteur à fusion, en pavant les parois du réacteur de panneaux de lithium (déjà exploité pour nos batteries d’appareils électroniques).
Par conséquent, les réacteurs à fusions nucléaires seraient, en théorie, grâce à un apport initial en tritium pour lancer la réaction, autonome en tritium, et nécessiteraient un apport continu de deutérium, ressource trouvable en grande quantité.
Le développement et les trouvailles sur la fusion nucléaire ne datent pas de ce siècle mais du siècle dernier. Les premières recherches datent des années 1930. Des décennies d’études ont menées à la création du projet ITER, réacteur à fusion nucléaire financé par de nombreux pays du monde entier, pour étudier ce nouveau moyen de production d’énergie.
La création de ITER, ses collègues et ses objectifs
Les premières investigations et recherches ont menées à la création des premiers réacteurs dans les années 1950. C’est dès l’année 1968 que le type de modèle de réacteur le plus prometteur (et encore exploité à ce jour) a été découvert en Union Soviétique : le tokamak. Ce réacteur, pour le décrire grossièrement ressemble à un donut creux, dans lequel est confiné le plasma chauffé à plusieurs millions de degrés Celsius.
Les recherche sur ce moyen de production nécessitant des moyens particulièrement important, une communauté internationale s’est constituée, et à fait naître en 1983 le JET (Joint European Torus) au Royaume-Uni, exploité par l’EURATOM (communauté européenne de l’énergie atomique) constituée de plus de 20 pays européens. Ce réacteur aura été le premier à produire de l’énergie de fusion de manière contrôlée.
Le projet ITER nait de la volonté de la communauté internationale de maitriser cette réaction instable et de la rendre exploitable. C’est pourquoi ce projet, financé pour près de la moitié par des pays européens, ainsi que par la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les Etats-Unis (9% chacun), est installé sur le territoire français, à Saint-Paul-lez-Durance, dans les Bouches-du-Rhônes.
Les premiers travaux ont commencé dès 2007. Le tokamak, cœur du processus de production du plasma, ne commencera son assemblage qu’en 2020.
Comment se compose l’installation ?
Le réacteur se compose de diverses installations pour provoquer la fusion nucléaire :
- La chambre à vide : c’est là où le plasma est produit, et donc où la réaction se produit. C’est une enceinte en acier inoxydable parfaitement hermétique. Elle est pavée de panneaux en lithium, grâce auxquels le réacteur pourra produire son propre tritium, pour entretenir dans le temps la réaction.
- Les aimants : ces éléments vont produire un champ magnétique assez puissant pour confiner et modeler le plasma à l’intérieur de la chambre à vide, pour notamment contrôlée la réaction, mais aussi faire en sorte que le plasma ne rentre jamais en contact direct avec les parois de la chambre, qui ne supporterait évidemment pas de telles chaleurs. On parle ici de 10 000 tonnes d’aimants.
- Les divertors : ils sont disposés sur le plancher du tokamak. Ils servent à évacuer les déchets gazeux de la réaction, qui pourraient déséquilibrer la production d’énergie.
- Le crystat : l’intégralité du tokamak et des ses aimants est refroidit par une installation en acier inoxydable.
Crédits image : Oak Ridge National Laboratory
Quels fonds ?
Aujourd’hui, le budget alloué à ce projet évolue encore. A ce jour, ce sont 20 milliards d’euros qui ont été investis. L’autorité américaine de l’énergie estime le cout du projet à terme à 54 milliards d’euros.
La fusion nucléaire, la bonne réponse à court, moyen, et long terme ?
Le projet ITER n’a aucune vocation à produire de l’électricité durant toute sa phase d’exploitation. Son but est de trouver le moyen de rendre ce moyen de production viable dans le temps.
Quelles promesses ?
Ce réacteur saura-t-il répondre aux enjeux énergétiques et écologiques des prochaines décennies ?
- Besoins en énergie : aujourd’hui, dans tous les réacteurs déjà construits pour les recherches sur la fusion nucléaires, un réacteur à réussi à dépasser le seuil de rentabilité énergétique, c’est-à-dire de produire plus d’énergie que d’en injecter dans l’installation. Cette installation américaine exploite une technologie basée sur l’exploitation de laser, différentes du tokamak de ITER.
- Durabilité : aucun réacteur à ce jour n’a réussi à maintenir une réaction plus longtemps que 17 minutes. Ce record est détenu par le tokamak EAST, qui se trouve en Chine.
- Energie fossile et production de déchets : là où la fusion nucléaire est plus vertueuse que la fission nucléaire, c’est l’usage et la production d’éléments radioactifs. En effet, le deutérium n’est pas radioactif, et le tritium l’est, mais dans des proportions bien plus restreintes que l’uranium par exemple, avec une demi-vie de moins de 13 ans. Quant à la production de déchets, seul de l’hélium est en théorie produit lors de la réaction, qui n’est ni toxique, ni radioactif.
- Risque de catastrophe : la production d’énergie par fusion nucléaire, à son stade actuel (dispositif tokamak), ne présente aucun risque comparable à la fission nucléaire. Par nature, la réaction ne peut pas « s’emballer », ni être militarisée.
A ce stade, la recherche scientifique est loin d’avoir fini de prouver l’efficacité et la pertinence de la fusion nucléaire dans la course à l’énergie. Des projets comme ITER sont mis en place pour développer cette solution. Les objectifs pour cette source d’énergie sont ambitieux : à l’horizon 2050, les Etats espèrent pouvoir lancer la production d’électricité grâce à la fusion.
Article rédigé par Alessandro F.
Bibliographie
https://www.iter.org/fr/accueil
https://fr.wikipedia.org/wiki/ITER
https://reporterre.net/Le-futur-reacteur-nucleaire-Iter-un-projet-titanesque-et-energivore