Une anecdote est connue: la fusion nucléaire le sera dans vingt ans. Sera toujours dans vingt ans. Cette blague, qui n'est plus drôle, est née de l'optimisme des scientifiques qui, dans les années 1950 (et dans toutes les décennies suivantes), pensaient que la fusion nucléaire n'était plus que dans 20 ans. Maintenant, cette anecdote a été prise au sérieux par une startup du MIT (Massachusetts Institute of Technology), une institution très respectée et bien connue: Commonwealth Fusion Technologies. La startup promet de lancer un réacteur de fusion nucléaire en état de marche dans 15 ans. Promet une énergie bon marché, propre et illimitée qui résoudra toutes les crises liées aux combustibles fossiles et aux changements climatiques. Alors ils disent: "une source d'énergie potentiellement inépuisable et sans carbone".
Seul problème: nous l'avons entendu plusieurs fois auparavant. Qu'est-ce qui est différent cette fois?
Un autre cliché célèbre concerne l'énergie de fusion. L'idée est simple: vous mettez le soleil dans une bouteille. Il ne reste plus qu'à fabriquer une bouteille. L'énergie de fusion alimente les étoiles, mais elle nécessite des conditions incroyablement chaudes et denses pour que le plasma fonctionne.
Une énorme quantité d'énergie peut être libérée lorsque deux noyaux légers fusionnent: la fusion deutérium-tritium, qui est réalisée dans le cadre de l'expérience ITER, émet 17,6 MeV par réaction, soit un million de fois plus d'énergie par molécule que ce que vous obtenez de l'explosion du TNT. Mais pour libérer cette énergie, vous devez surmonter la puissante répulsion électrostatique entre les noyaux, qui sont tous deux chargés positivement. La forte interaction à courte distance conduit à une fusion qui libère toute cette énergie, mais les noyaux doivent être rapprochés très près - sur des femtomètres. Dans les étoiles, cela se produit tout seul en raison de la pression gravitationnelle colossale sur le matériau, mais sur Terre, c'est plus difficile.
Vous devez d'abord essayer de trouver des matériaux qui survivront après une exposition à des températures de centaines de millions de degrés Celsius.
Le plasma est composé de particules chargées; la matière et les électrons sont emportés. Il peut être maintenu en place par un champ magnétique qui plie le plasma en cercle. Des manipulations avec le champ magnétique permettent également de comprimer ce plasma. Dans les années 1950 et 1960, toute une génération d'appareils aux noms exotiques est apparue: Stellarator, Maybeatron, Z-Pinch, conçus pour cela. Mais le plasma qu'ils essayaient de retenir était instable. Le plasma lui-même génère des champs électromagnétiques, il peut être décrit par une théorie très complexe de la magnétohydrodynamique. De légers écarts ou défauts sur la surface du plasma sont rapidement devenus incontrôlables. En bref, les appareils ne fonctionnaient pas comme prévu.
L'Union soviétique a développé un appareil tokamak qui offrait des performances considérablement améliorées. Dans le même temps, un laser a été inventé, permettant un nouveau type de synthèse - la synthèse avec confinement inertiel.
Dans ce cas, il n'est plus nécessaire de maintenir le plasma brûlant dans des champs magnétiques, il est nécessaire de le comprimer par une explosion à l'aide de lasers en peu de temps. Mais les expériences de confinement inertiel ont également souffert d'instabilités. Ils fonctionnent depuis les années 1970 et pourraient un jour réussir, mais le plus grand à ce jour, le National Ignition Laboratory de Livermore, en Californie, n'a jamais atteint le seuil de rentabilité où plus d'énergie sera produite que dépensée.
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Une grande partie de l'espoir est avec ITER, le plus grand tokamak de fusion par confinement magnétique au monde, qui est toujours en construction.
Les développeurs du projet espèrent allumer le plasma dans les 20 minutes pour générer 500 MW d'électricité avec une entrée nominale de 50 MW. Des expériences de fusion complète sont prévues pour 2035, mais les problèmes de coopération internationale entre les États-Unis, l'URSS (alors encore), le Japon et l'Europe ont entraîné de longs retards et des contraintes budgétaires. Le projet a 12 ans de retard et coûte 13 milliards de dollars. Ce n'est pas rare pour les projets qui nécessitent la construction d'énormes installations.
Selon le plan ITER, le premier réacteur de fusion thermonucléaire qui fonctionnera comme une centrale électrique, allumant et soutenant la fusion, DEMO, devrait entrer en service en 2040 voire 2050. En d'autres termes, la fusion nucléaire … le sera dans vingt ans. On a tendance à résoudre les problèmes d'instabilités en construisant de plus en plus d'installations. ITER sera plus grand que JET et DEMO sera plus grand que ITER.
Au fil des ans, de nombreuses équipes ont contesté la collaboration internationale avec des conceptions plus petites. La question n'est pas la vitesse, mais l'aspect pratique. S'il faut vraiment des milliards de dollars et des dizaines d'années pour construire un réacteur à fusion, en vaudra-t-il vraiment la peine? Qui paiera la construction? Peut-être qu'au moment où un tokamak fonctionnel sera construit, la combinaison de panneaux solaires et de nouvelles batteries nous fournira une énergie qui sera moins chère que celle produite dans le tokamak. Certains projets - même la fameuse "fusion froide" - se sont avérés faux ou ne fonctionnaient pas.
D'autres méritent plus d'attention. Startups avec de nouvelles conceptions de réacteur à fusion - ou, dans certains cas, des versions révisées d'anciennes tentatives.
Tri Alpha s'attend à entrer en collision avec des nuages de plasma dans une structure rappelant le grand collisionneur de hadrons, puis à maintenir le plasma de fusion dans un champ magnétique suffisamment longtemps pour atteindre l'équilibre et générer de l'énergie. Ils ont réussi à atteindre les températures et le confinement du plasma requis en quelques millisecondes, et ont également levé plus de 500 millions de dollars en capital-risque.
Les Lockheed Martin Skunk Works, connus pour leurs projets secrets, ont fait sensation en 2013 en annonçant qu'ils travaillaient sur un réacteur à fusion compact de 100 MW de la taille d'un moteur à réaction. À ce moment-là, ils ont déclaré que le prototype serait prêt dans cinq ans. Bien sûr, ils n'ont pas divulgué les détails de conception. En 2016, il a été confirmé que le projet recevait un financement, mais beaucoup ont déjà perdu la foi et gagné le scepticisme.
Et dans le contexte de toute cette honte, les scientifiques du MIT ont fait irruption dans le ring. Bob Mumgaard, PDG de Commonwealth Fusion Energy, a déclaré: «Nous nous engageons à obtenir un poste de travail à temps pour lutter contre le changement climatique. Nous pensons que la science, la rapidité et la mise à l'échelle du projet prendront quinze ans."
Le nouveau projet du MIT adhère à la conception du tokamak, comme il l'a fait dans le passé. Le dispositif SPARC est censé produire 100 MW d'énergie en 10 secondes d'impulsions de confinement. Il était déjà possible d'obtenir de l'énergie à partir d'impulsions auparavant, mais le seuil de rentabilité est ce qui attire vraiment les scientifiques.
Une sauce spéciale dans ce cas est les nouveaux aimants supraconducteurs à haute température en oxyde d'yttrium-baryum-cuivre. Étant donné que HTSM peut créer des champs magnétiques plus puissants à la même température que les aimants conventionnels, il peut être possible de compresser le plasma avec une puissance d'entrée plus faible, un dispositif magnétique inférieur et obtenir des conditions de synthèse dans un dispositif 65 fois plus petit qu'ITER. C'est le plan, de toute façon. Ils espèrent créer des aimants supraconducteurs dans les trois prochaines années.
Les scientifiques sont optimistes: «Notre stratégie consiste à utiliser une physique conservatrice basée sur des décennies de travail au MIT et ailleurs», a déclaré Martin Greenwald, directeur associé du Center for Plasma Science and Fusion au MIT. "Si le SPARC atteint les performances attendues, mon instinct veut qu'il puisse être transformé en une véritable centrale électrique."
Il existe de nombreux autres projets et startups qui promettent de la même manière de contourner toutes sortes de tokamaks et de budgets de collaboration internationale. Il est difficile de dire si l'un d'entre eux trouvera l'ingrédient secret pour la synthèse, ou si ITER, avec son poids dans la communauté scientifique et le soutien des pays, gagnera. Il est encore difficile de dire quand et si la fusion deviendra la meilleure source d'énergie. La synthèse est difficile. C'est ainsi que montre l'histoire.
Ilya Khel
