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 peut être une source viable d’énergie propre.
L’expérience, réalisée au Laboratoire national Lawrence Livermore, a montré l’inflammation : une réaction de fusion générant plus d’énergie qu’elle n’en fournissait.
En outre, ces dernières années ont été marquées par une manne d’investissements privés de plusieurs milliards de dollars dans ce domaine, principalement aux États-Unis.
Mais il reste encore beaucoup à faire en matière d’ingénierie avant que la fusion puisse être développée à grande échelle et devenir une source sûre et abordable d’énergie propre pratiquement illimitée. En d’autres termes, il est temps de passer 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 atteindre sa maturité au cours des dix dernières années.
Mais pour que la fusion nucléaire devienne une source viable d’énergie commerciale, les ingénieurs doivent désormais relever une multitude 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 d’investir pour résoudre ces problèmes pratiques, notamment par le biais de partenariats public-privé.
Construire un réacteur à 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 que le noyau du Soleil. Pour que ces réactions se produisent, les infrastructures de l’énergie de fusion devront supporter ces conditions extrêmes.
Il existe deux approches pour réaliser la fusion en laboratoire : la fusion par confinement inertiel, qui utilise des lasers puissants, et la fusion par confinement magnétique, qui utilise des aimants puissants.
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 des fonds privés visent à réaliser cet exploit d’ici la fin de la décennie, et une grande expérience soutenue par la communauté internationale en France, ITER, espère également atteindre l’équilibre financier d’ici la fin des années 2030. Toutes deux utilisent la fusion par confinement magnétique.
Les défis à venir
Les deux approches de la fusion présentent 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 et des conditions d’irradiation extrêmes.
Les matériaux des réacteurs à fusion deviennent également radioactifs lorsqu’ils sont bombardés de particules hautement énergétiques. Les chercheurs doivent concevoir de nouveaux matériaux capables de se désintégrer en quelques années à des niveaux de radioactivité qui peuvent être éliminés en toute sécurité et plus facilement.
Produire suffisamment de carburant, et ce de manière durable, constitue également un défi important.
Le deutérium est abondant et peut être extrait de l’eau ordinaire.
Mais augmenter la production de tritium, qui est généralement produit à partir du lithium, s’avérera beaucoup plus difficile. Un seul réacteur à fusion aura besoin de plusieurs centaines de grammes à un kilogramme de tritium par jour pour fonctionner.
À l’heure actuelle, les réacteurs nucléaires conventionnels produisent du tritium comme sous-produit de la fission, mais ils ne peuvent pas en fournir suffisamment pour entretenir une flotte de réacteurs à fusion.
Les ingénieurs devront donc développer la capacité de produire du tritium au sein même du dispositif de fusion. Cela pourrait impliquer d’entourer le réacteur de fusion d’un matériau contenant du lithium, que la réaction transformera en tritium.
Pour accroître la puissance de la fusion inertielle, les ingénieurs devront développer des lasers capables de frapper à plusieurs reprises une cible de combustible de fusion, composée de deutérium et de tritium congelés, plusieurs fois par seconde environ.
Mais aucun laser n’est encore assez puissant pour atteindre ce niveau de puissance. Les ingénieurs devront également développer des systèmes de contrôle et des algorithmes qui permettent de diriger ces lasers avec une précision extrême vers la cible.
De plus, les ingénieurs devront augmenter la production de cibles par ordre de grandeur : de quelques centaines fabriquées à la main chaque année avec un prix de plusieurs centaines de milliers de dollars chacune à des millions ne coûtant que quelques dollars chacune.
Pour le confinement magnétique, les ingénieurs et les spécialistes des matériaux devront développer 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 du réacteur. La technologie utilisée pour chauffer et confiner le plasma jusqu’à la fusion des atomes doit fonctionner de manière fiable pendant des années.
Voilà quelques-uns des grands défis à relever. Ils sont difficiles, mais pas insurmontables.
Paysage actuel du financement
Les investissements des entreprises privées ont augmenté à l’échelle mondiale. Ils continueront probablement à jouer un rôle important dans 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 startups développent différentes technologies et conceptions de réacteurs dans le but d’ajouter la fusion au réseau électrique dans les décennies à venir. La plupart 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 fusion jusqu’à présent. 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 quatre ans doté de 42 millions de dollars pour développer des centres de fusion pour cette technologie. Bien que ce financement soit important, il ne suffira probablement pas à résoudre les défis les plus importants qui restent à relever pour que les États-Unis deviennent un leader mondial de l’énergie de fusion pratique.
Une façon de construire des partenariats entre le gouvernement et les entreprises privées dans ce domaine pourrait être de créer des relations similaires à celles entre la NASA et SpaceX.
En tant que partenaire commercial de la NASA, SpaceX reçoit des financements 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 bord de la Station spatiale internationale.
Comme de nombreux autres chercheurs, nous sommes prudemment optimistes. De nouveaux résultats expérimentaux et théoriques, de nouveaux outils et des investissements du secteur privé nous confortent dans l’idée que le développement de l’énergie de fusion n’est plus une question de « si », mais de « quand ».
George R. Tynan, professeur de génie mécanique et aérospatial, Université de Californie, San Diego et Farhat Beg, professeur de génie mécanique et aérospatial, Université de Californie, San Diego.
Cet article est republié par The Conversation
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