George R. Tynan, University of California, San Diego and Farhat Beg, University of California, San Diego
La façon dont les scientifiques envisagent la fusion a changé à jamais en 2022, lorsque ce que certains ont appelé l’expérience du siècle a démontré pour la première fois que la fusion pouvait être une source viable d’énergie propre.
L’expérience, menée au Laboratoire national Lawrence Livermore, a montré l’ignition : une réaction de fusion produisant plus d’énergie qu’elle n’en a absorbée.
En outre, ces dernières années ont été marquées par une manne de plusieurs milliards de dollars d’investissements privés dans le domaine, principalement aux États-Unis.
Mais toute une série de défis techniques doivent être relevés avant que la fusion ne devienne une source sûre et abordable d’énergie propre pratiquement illimitée. En d’autres termes, l’heure est à l’ingénierie.
En tant qu’ingénieurs travaillant sur la science fondamentale et l’ingénierie appliquée à la fusion nucléaire depuis des décennies, nous avons vu une grande partie de la science et de la physique de la fusion arriver à maturité au cours des dix dernières années.
Mais pour faire de la fusion une source d’énergie commerciale réalisable, les ingénieurs doivent maintenant relever une série de défis pratiques. La capacité des États-Unis à saisir cette opportunité et à devenir le leader mondial de l’énergie de fusion dépendra en partie de la volonté du pays à investir dans la résolution de ces problèmes pratiques, notamment par le biais de partenariats public-privé.
Construire un réacteur de fusion
La fusion se produit lorsque deux types d’atomes d’hydrogène, le deutérium et le tritium, entrent en collision dans des conditions extrêmes. Les deux atomes fusionnent littéralement en un seul atome en chauffant jusqu’à 180 millions de degrés Fahrenheit (100 millions de degrés Celsius), soit 10 fois plus chaud que le cœur du Soleil. Pour que ces réactions se produisent, l’infrastructure de l’énergie de fusion devra supporter ces conditions extrêmes.
Les réactions de fusion réunissent deux atomes et libèrent d’énormes quantités d’énergie.
Il existe deux approches pour réaliser la fusion en laboratoire : la fusion par confinement inertiel, qui utilise de puissants lasers, et la fusion par confinement magnétique, qui utilise de puissants aimants.
Alors que l' »expérience du siècle » a utilisé la fusion par confinement inertiel, la fusion par confinement magnétique n’a pas encore démontré qu’elle pouvait atteindre le seuil de rentabilité en matière de production d’énergie.
Plusieurs expériences financées par le secteur privé visent à réaliser cet exploit dans le courant de la décennie, et une grande expérience soutenue par la communauté internationale en France, ITER, espère également atteindre le seuil de rentabilité d’ici la fin des années 2030. Ces deux expériences utilisent la fusion par confinement magnétique.
Les défis à venir
Les deux approches de la fusion ont en commun une série de défis qui ne seront pas faciles à relever. Par exemple, les chercheurs doivent développer de nouveaux matériaux capables de résister à des températures extrêmes et à des conditions d’irradiation.
Les matériaux des réacteurs de fusion deviennent également radioactifs lorsqu’ils sont bombardés par des particules hautement énergétiques. Les chercheurs doivent concevoir de nouveaux matériaux capables de se désintégrer en quelques années à des niveaux de radioactivité pouvant être éliminés plus facilement et en toute sécurité.
Produire suffisamment de combustible, et le faire de manière durable, est également un défi important. Le deutérium est abondant et peut être extrait de l’eau ordinaire. En revanche, il sera beaucoup plus difficile d’augmenter la production de tritium, qui est généralement produit à partir de lithium. Un seul réacteur de fusion aura besoin de centaines de grammes à un kilogramme de tritium par jour pour fonctionner.
À l’heure actuelle, les réacteurs nucléaires classiques produisent du tritium comme sous-produit de la fission, mais ils ne peuvent pas en fournir suffisamment pour alimenter un parc de réacteurs de fusion.
Les ingénieurs devront donc développer la capacité de produire du tritium dans le dispositif de fusion lui-même. Cela pourrait impliquer d’entourer le réacteur de fusion d’un matériau contenant du lithium, que la réaction convertira en tritium.
Pour développer la fusion inertielle, les ingénieurs devront mettre au point des lasers capables de frapper une cible de combustible de fusion, composée de deutérium et de tritium congelés, plusieurs fois par seconde environ. Mais aucun laser n’est assez puissant pour le faire à ce rythme – pour l’instant. Les ingénieurs devront également mettre au point des systèmes de contrôle et des algorithmes permettant de diriger ces lasers avec une extrême précision sur la cible.
En outre, les ingénieurs devront augmenter la production de cibles par ordre de grandeur : de quelques centaines de cibles fabriquées à la main chaque année, coûtant des centaines de milliers de dollars chacune, à des millions de cibles ne coûtant que quelques dollars chacune.
Pour le confinement magnétique, les ingénieurs et les spécialistes des matériaux devront mettre au point des méthodes plus efficaces pour chauffer et contrôler le plasma, ainsi que des matériaux plus résistants à la chaleur et aux radiations pour les parois des réacteurs. La technologie utilisée pour chauffer et confiner le plasma jusqu’à ce que les atomes fusionnent doit fonctionner de manière fiable pendant des années.
Ce sont là quelques-uns des grands défis à relever. Ils sont difficiles mais pas insurmontables.
Situation actuelle du financement
Les investissements des entreprises privées au niveau mondial ont augmenté – ils continueront probablement à être un facteur important pour faire avancer la recherche sur la fusion. Les entreprises privées ont attiré plus de 7 milliards de dollars d’investissements privés au cours des cinq dernières années.
Plusieurs start-ups développent différentes technologies et conceptions de réacteurs dans le but d’ajouter la fusion au réseau électrique dans les décennies à venir. La plupart d’entre elles sont basées aux États-Unis, mais certaines se trouvent en Europe et en Asie.
Bien que les investissements du secteur privé aient augmenté, le gouvernement américain continue à jouer un rôle clé dans le développement de la technologie de la fusion jusqu’à ce jour. Nous nous attendons à ce qu’il continue à le faire à l’avenir.
C’est le ministère américain de l’énergie qui a investi environ 3 milliards de dollars pour construire le National Ignition Facility au Lawrence Livermore National Laboratory au milieu des années 2000, où l' »expérience du siècle » a eu lieu 12 ans plus tard.
En 2023, le ministère de l’énergie a annoncé un programme de 42 millions de dollars sur quatre ans pour développer des centres de fusion pour cette technologie. Bien que ce financement soit important, il ne suffira probablement pas à résoudre les problèmes les plus importants qui subsistent pour que les États-Unis deviennent un leader mondial dans le domaine de l’énergie de fusion pratique.
L’un des moyens d’établir des partenariats entre le gouvernement et les entreprises privées dans ce domaine pourrait être de créer des relations similaires à celles qui existent entre la NASA et SpaceX. En tant que partenaire commercial de la NASA, SpaceX reçoit des fonds publics et privés pour développer des technologies que la NASA peut utiliser. Elle a été la première entreprise privée à envoyer des astronautes dans l’espace et à la Station spatiale internationale.
Comme de nombreux autres chercheurs, nous faisons preuve d’un optimisme prudent. Les nouveaux résultats expérimentaux et théoriques, les nouveaux outils et les investissements du secteur privé nous confortent dans l’idée que le développement d’une énergie de fusion pratique n’est plus un « si » mais un « quand ».
George R. Tynan, Professor of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego and Farhat Beg, Professor of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original en anglais (traduction enerzine.com).
Légende illustration : Intérieur de la chambre cible du National Ignition Facility, où les chercheurs s’efforcent d’obtenir des rendements énergétiques plus élevés à partir de l’énergie de fusion. Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, et le ministère de l’énergie – National Ignition Facility (installation nationale d’allumage)
