Cap sur la fusion, une petite étoile rêve

2017/03/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Ronald Reagan et Mikhail Gorbachev ont signé en 1985 la collaboration pour «obtenir une source d’énergie essentiellement inépuisable au bénéfice de toute l’humanité». Cette source d'énergie était la fusion. Avec cet accord, le projet ITER a été lancé dans le but de réaliser la fusion. L'Union européenne, la Chine, le Japon, la Corée du Sud et l'Inde ont ensuite rejoint le projet.

ITER signifie en anglais «réacteur thermonucléaire expérimental réacteur international» et en latin «chemin». Le chemin est long, laborieux et coûteux. En 2005, sa construction a été décidée à Cadarache, en France, en 2013 et en 2019. Le coût n'est pas clair, mais ce sera des milliards d'euros. Après la Station spatiale internationale, ce sera le bâtiment scientifique le plus cher.

« Ce doux est si doux énergétiquement », affirme le chercheur de l’UPV Igor Peñalva Bengoa. « Si la fusion est obtenue à moyen terme, les problèmes énergétiques actuels peuvent être résolus. » Peñalva enquête dans le domaine de la fusion. Goretti Sevillano Berasategi également dans un autre département de l'UPV. « Les combustibles fossiles s’épuisent et les combustibles renouvelables ont des limites et ne peuvent pas générer toute l’énergie dont nous avons besoin, dit Sevillano, voilà un problème. »

Inépuisable, propre et sûr

La fusion présente un certain nombre d'avantages par rapport aux autres sources d'énergie. Les matières premières sont pratiquement inépuisables. Il s'agit d'utiliser deux isotopes d'hydrogène, le deutérium et le tritium. « On peut considérer que le deutérium est inépuisable parce qu’il y a beaucoup en mer. Le tritium, pour sa part, sera formé dans le réacteur lui-même, à partir du lithium, et le lithium n'est pas non plus inépuisable mais pratiquement inépuisable. Nous avons suffisamment de lithium pour des milliers d’années », explique Peñalva. D’autre part, “il n’y aurait pas de conflits géopolitiques avec le pétrole, le charbon, etc., parce que les matières premières peuvent être trouvées n’importe où”, a ajouté Sevillano.

En outre, Sevillano souligne qu'il est “énergie propre”. « Il ne génère pas de gaz à effet de serre. Et il est vrai qu’on génère des déchets radioactifs mais de faible activité et de très courte durée».

L'union d'un atome de deutérium et d'un atome de tritium produit un atome d'hélium, un neutron et une énergie. C'est la réaction de fusion. Il s'agit d'un processus contre la fission qui se produit dans les centrales nucléaires actuellement en fonctionnement. L'énergie est obtenue en divisant les noyaux de grands atomes comme le plutonium et l'uranium en fission. Dans la fusion, par l'interaction des noyaux de petits atomes comme l'hydrogène.

Grâce à ces neutrons qui sont formés en fusion, les métaux peuvent devenir radioactifs. « Mais ces métaux, après 20 à 40 ans, ne sont pas radioactifs et peuvent être réutilisés tranquillement, donc je ne les prendrai pas comme déchets radioactifs », explique Peñalva. « Ils n’ont rien à voir avec les résidus de fission. Dans ce cas, ils ne sont pas de haute activité et ce n’est pas un problème de millions d’années, mais de 10, 20 ou 40 ans ».

Quant à la sécurité, rien à voir avec la fission, explique Peñalva: « Lors de la fission, des réactions en chaîne nécessitent un bon contrôle. Si vous perdez le contrôle, Tchernobyl peut se produire, etc. Dans la fusion, le contraire se produit ; s'il y a un problème dans un réacteur, la réaction s'arrête. La réaction elle-même est sûre en soi.»

Des étoiles à la Terre

Inépuisable, propre, sûr… Il semble avoir tout. Le problème est la difficulté. « Technologiquement, la fusion n’est pas facile », affirme Peñalva. “Notez que les seuls réacteurs de fusion en fonctionnement que nous connaissons sont les étoiles. Toute l'énergie qui nous vient du Soleil est générée par des réactions de fusion, et en définitive, grâce à elle nous vivons. Le problème est de l'obtenir sur Terre. Des températures supérieures à 100 millions de °C sont nécessaires et ce n’est pas une plaisanterie. »

Cette petite étoile qui sera créée à ITER occupera 150 millions de ºC, 10 fois plus que le noyau du soleil. En fait, dans les étoiles, l'atome fusionne les forces de gravité. Sur Terre, cependant, cette force ne peut pas être produite, il faut donc des températures plus élevées pour que les atomes soient mis dans un état de plasma et fusionnés. « Nous ne connaissons pas de matériaux résistants à cette température », déclare Peñalva. Mais l'étoile artificielle peut être maintenue coincée par des champs magnétiques. Pour ce faire, les aimants supraconducteurs d'ITER refroidissent à -269ºC, tout près du zéro absolu. La plus grande et la plus basse température du monde sera presque au même endroit.

Nous savons que sur Terre on peut obtenir la fusion. Il a déjà été obtenu sur plusieurs machines. « Mais la réaction dure très peu de secondes dans des conditions de production d’énergie, ce qui ne suffit pas à récupérer l’énergie livrée pour déclencher la réaction », explique Sevillano. La meilleure marque a été obtenue dans le réacteur JET britannique: Entrée 24 MW et extraction 16.

L'objectif d'ITER est de générer dix fois plus d'énergie que celle introduite. Il est conçu pour entrer 50 MW et extraire 500. ITER sera très similaire à JET mais plus grand. « Selon les calculs, plus il est grand, plus il est facile d’obtenir plus d’énergie », explique Peñalva.

Comme le JET, ITER sera un réacteur de type tokamas. La fusion se produit dans une chambre en forme de toroïde ou de beignet dans la coiffe. “Les appareils qui ont le plus travaillé jusqu'ici sont les locaux”, dit Sevillano. « Certains pensent que ceux de stellarator peuvent être meilleurs, mais ils ont des formes très spéciales et sont très difficiles à construire, surtout à grande échelle. C'est pourquoi, et parce qu'il a fait des recherches beaucoup plus approfondies sur le transfert, il a été décidé qu'ITER serait déplacé. » Dans tous les cas, le fonctionnement des deux est fondamentalement similaire, et « ce qui est étudié dans l'une d'elles est assez facile à adapter à l'autre », explique Sevillano.

Une autre façon d'obtenir la fusion est de remplacer les champs magnétiques par des lasers très puissants et très précis. Le projet NIF des Américains est le principal sur cette route, mais, bien qu'ils aient ainsi prouvé que la fusion est possible, le ministère américain de l'Énergie du gouvernement américain. a reconnu l'année dernière que le NIF a de sérieux doutes quant à savoir si l'objectif d'obtenir de l'énergie peut arriver à une certaine occasion.

Sevillano voit difficile la voie du laser: “La question est que la plupart des scientifiques et des laboratoires travaillant sur la fusion travaillent avec confinement magnétique, et je pense que les résultats vont venir de là”. Peñalva coïncide: « ITER bénéficie du soutien technologique de JET. Nous savons que cela peut fonctionner. Et il est estimé que faire plus grand peut être plus facile d'obtenir de l'énergie, il a été décidé internationalement: « Faisons tous un grand réacteur, pour voir si nous réussissons à vérifier que c’est technologiquement viable. » Comme ITER a décidé de le faire au niveau international et que l'argent est là, la plupart des recherches y sont en cours. »

Fusion en UPV

Et il y a aussi les chercheurs de l'UPV. « Nous sommes un groupe de contrôle », affirme Sevillano. « Pour allonger cet état du plasma et pouvoir en extraire l’énergie, il faut contrôler un grand nombre de paramètres : courant plasma, forme plasma, courants de bobines, tension, etc. » Pour cela, ils développent des systèmes de contrôle.

Et ils ont une petite machine pour effectuer les premiers tests de ces systèmes. “Ce n'est pas un réacteur, mais il a une chambre à vide où vous pouvez utiliser l'hélium comme carburant. Il est encore en cours de construction et ce que nous prétendons avec elle est de vérifier, par des tests avec les schémas et modèles de contrôle que nous développons pour certains paramètres, si ces schémas de contrôle ou modèles de plasma développés peuvent être utiles. Et une fois cela vérifié, effectuer les modifications nécessaires pour l'adapter à une machine expérimentale plus grande”.

Pour sa part, l'équipe de Peñalva analyse le comportement de certains matériaux métalliques avec de l'hydrogène et du deutérium. « Nous devons savoir dans quelle mesure l’hydrogène et ses isotopes pénètrent dans les matériaux, puis savoir où ces particules seront et comment les gérer, et décider quels matériaux sont les mieux adaptés. » Dans certains cas, il est intéressant d'introduire beaucoup dans le matériau, par exemple pour récupérer le tritium. Et dans d'autres, le contraire. Par exemple, le tritium lui-même est radioactif et pour travailler en toute sécurité, il faut des matériaux qui empêchent le passage du tritium.

Ils travaillent principalement avec des alliages de fer. “Ce que nous étudions est enfin et après, par exemple, quand le fer a plus ou moins de chrome, dans quelle mesure la perméabilité augmente ou diminue. Nous mesurons ces paramètres. Telle est notre contribution. En principe, pour ITER, il est décidé ou semi-décidé quels matériaux seront, mais cette recherche est orientée vers la phase suivante. »