Fusion nucléaire, tokamak et ITER – WUS#24

Lors d’un précédent billet, j’avais parlé de la structure atomique et de fission nucléaire. On avait brièvement évoqué le principe des réacteurs nucléaires, et vu les quelques difficultés inhérentes à leur fonctionnement. Aujourd’hui, on va parler d’un autre moyen pour produire de l’énergie en utilisant des réactions nucléaires : la fusion. Il s’agit de la source d’énergie des étoiles… Pas si facile à reproduire !

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Confinement magnétique de plasma dans le futur tokamak ITER – ITER.org

Dans l’épisode précédent

Pour résumer les grandes idées du billet précédent, disons simplement qu’un noyau atomique est formé de plusieurs neutrons et protons fortement « collés » entre eux. Pour certains noyaux qui atteignent une masse critique (typiquement lorsqu’on ajoute un neutron), il y a fission, c’est-à-dire que le noyau se sépare en deux, libérant alors une grande énergie (correspondant à ce qui était jusqu’alors l’énergie de cohésion du noyau), que l’on peut récupérer sous forme de chaleur pour enclencher des turbines générant de l’électricité. Problème : les déchets radioactifs produits lors des réactions nucléaires. Problème aussi : le risque de réaction en chaîne à contrôler.

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire correspond en quelque sorte au processus inverse de celui de la fission. Cette fois, deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau lourd. Toute la difficulté du processus réside dans le « s’assemblent », évidemment ! Rappelez-vous, un noyau est fait de protons et de neutrons. Or les neutrons ont une charge électrique neutre, et les protons ont une charge électrique positive. Globalement les noyaux sont donc chargés positivement, et on essaie de les rapprocher le plus possible. Or deux objets ayant la même charge électrique (en l’occurrence positive) se repoussent. C’est quelque chose qui a été observé depuis le 18ème siècle par Benjamin Franklin notamment, puis formalisé par la loi empirique de Coulomb (qui détermine la force qui agit entre deux charges électriques) puis par Maxwell (qui a établi les quatre équations fondamentales de l’électromagnétisme – on y reviendra). Le problème est donc là : comment rapprocher suffisamment des noyaux atomiques en franchissant cette barrière de potentiel ? Pourquoi existe-t-il un moment où les noyaux vont fusionner et cesser de se repousser ?

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Fusion de Deutérium-Tritium en Hélium

La force électromagnétique n’est pas la seule force mise en jeu dans ce processus. En effet, il faut prendre en compte l’interaction forte, qui assure la cohésion d’un noyau atomique, et qui – comme son nom l’indique – est plus forte que l’interaction électromagnétique de répulsion entre noyaux. Seulement l’interaction forte n’est prépondérante qu’à très courte portée : c’est pourquoi il faut rapprocher les noyaux suffisamment.

Pour cela, on envoie les noyaux l’un sur l’autre avec une très grande vitesse, et donc une très grande énergie cinétique. C’est assez logique intuitivement : imaginez-vous placer sur une rampe deux aimants en face l’un de l’autre, de sorte à ce qu’ils se repoussent si on les rapproche. Pour pouvoir les rapprocher au maximum, on peut par exemple en laisser un fixe et lancer l’autre le plus fort possible, afin que la barrière de répulsion magnétique soit le plus possible mise à mal. Il s’agit d’une situation analogue dans le cas de la fusion nucléaire.

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Le Soleil. – NASA/SDO.

Il s’agit d’une réaction qui a lieu naturellement au sein du Soleil, où les « conditions climatiques » sont plus propices. En effet, la température très élevée correspond à une fantastique agitation thermique des noyaux, qui peuvent alors avoir l’énergie suffisante pour déclencher le processus de fusion.

Lorsque les deux noyaux ont fusionné, le noyau résultant a engrangé une énorme quantité d’énergie, et n’est pas stable, c’est-à-dire qu’il ne peut pas rester dans cet état. Il libère alors de l’énergie en éjectant une particule pour revenir à un état d’énergie plus faible et donc à un état stable. La particule libérée (un neutron par exemple dans le cas de la fusion entre le deutérium et le tritium) a alors elle aussi une très grande énergie cinétique. C’est cette énergie qu’on cherche à récupérer pour créer de l’énergie électrique, comme dans les centrales à fission ! A l’inverse de la réaction de fission, il ne s’agit pas d’une réaction en chaîne : pas de risque de bombe nucléaire à fusion !

Rapprocher des noyaux

Mais alors si on utilise une particule de grande énergie cinétique pour déclencher la fusion puis récupérer une autre particule de grande énergie cinétique, où est l’intérêt ? En fait, l’objectif est justement de faire en sorte que l’énergie dépensée pour déclencher la fusion soit inférieure à l’énergie produite par la réaction. Des calculs théoriques montrent que c’est effectivement possible, et que l’énergie produite peut être mille fois supérieure à l’énergie initiale des particules. Des quantités d’énergie énormes pourraient alors être produites facilement, très facilement, donnant ainsi accès aux humains à une source d’énergie propre et très importante ! C’est ce qui motive les recherches sur la fusion.

Pour pouvoir faire fusionner deux noyaux, il faut non seulement qu’ils aillent vite, mais il faut aussi « bien viser ». Et c’est très difficile, vu qu’ils se repoussent ! En pratique, on cherche à confiner les particules pour que la réaction de fusion ait lieu. Or confiner, ça ne veut pas dire ici les faire circuler dans un tout petit tuyau, par exemple : le faisceau interagirait avec le matériau composant le tuyau, perdant ainsi de l’énergie ! Il faut trouver d’autres astuces. Qui doivent impliquer un confinement sans milieu matériel !

Tokamak

Une des solutions envisagées consiste à utiliser un confinement magnétique. C’est ce qu’on fait dans les tokamaks (sigle russe signifiant « chambre torique de confinement magnétique »), inventés dans les années 50 par Igor Tamm (prix Nobel de physique 1958) et Andreï Sakharov (prix Nobel de la paix 1975).

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Un tore.

Un tokamak c’est quoi ? C’est une grande chambre en forme de tore, à l’intérieur de laquelle on confine un plasma qui sera le siège de la réaction de fusion. On a déjà parlé de plasma dans le billet sur les états de la matière. Il s’agit d’un gaz ionisé très dense, à très haute température. Créer un plasma permet d’avoir une source de particules qui ont perdu leur cortège électronique, on a donc bien uniquement des noyaux, nécessaires pour la fusion.

Tout d’abord, on crée un plasma en diminuant la pression ou en augmentant la température, et le plasma se répand dans la chambre torique. Comme on a besoin d’une grande température pour pouvoir franchir la barrière d’énergie nécessaire à la réaction de fusion, on a vu qu’il fallait confiner le milieu de noyaux légers pour éviter tout contact avec les parois. Or on sait confiner des particules chargées avec un champ magnétique ! Il s’agit d’une autre propriété électromagnétique des particules chargées qu’on connaît bien en physique. On parlera dans un autre billet plus en détails de l’effet dans un champ électromagnétique sur une particule chargée, mais disons simplement qu’on utilise des bobines dans lesquelles circulent un courant pour créer un champ magnétique, et que la géométrie selon laquelle on dispose ces bobines permet de créer un piège d’où les particules ne peuvent pas s’échapper. C’est ce qui explique la géométrie toroïdale, un principe ingénieux et plutôt joli !

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Vue en coupe du futur tokamak ITER. – ITER.org

On peut alors chauffer suffisamment le plasma en envoyant des micro-ondes (à des fréquences correspondant aux transitions atomiques, permettant aux noyaux de passer dans un état d’énergie plus importante). On a donc pu créer un milieu propice à la production de réactions de fusion nucléaires ! Les particules produites lors de la réaction sont éjectées du confinement, et l’énergie est récupérée sous forme de chaleur par les parois. Comme pour les réacteurs à fission, cette chaleur permet alors d’évaporer de l’eau, et le gaz ainsi produit entraîne des turbines, qui vont générer de l’électricité !

ITER

Ça, c’était la théorie ! En pratique, de nombreuses problématiques technologiques associées aux tokamaks sont encore à l’état de thématique de recherche. Mais l’enjeu est tel que l’enthousiasme dépasse celui des scientifiques, et de gros projets sont financés pour parvenir à créer de l’énergie par fusion nucléaire. Vous avez peut-être entendu parler du tokamak ITER ? En ce moment, en France à Cadarache, est en train d’être construit le plus grand tokamak jamais construit, fruit d’une collaboration entre plus d’une trentaine de pays, un projet à plusieurs dizaines de milliards d’euros !

L’objectif est donc de construire un tokamak dont le volume de plasma est de 840 mètres cubes. C’est grosso modo un tiers de piscine olympique de plasma à plusieurs millions de degrés, le tout en lévitation magnétique !

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Et une piscine olympique, c’est grand.

Si jamais vous entendez parler d’une théorie selon laquelle le gouvernement essaie de construire une étoile dans le Sud de la France, c’est probablement d’ITER qu’on parle ! Sauf qu’on l’a bien vu, il ne s’agit pas de créer un Soleil ! Il s’agit de créer un milieu au sein duquel des réactions thermonucléaires sont possibles. Bien qu’il s’agisse dans grand défi physique et technologique, on voit bien la différence d’envergure entre les deux formulations !

Pourquoi est-ce un tel défi, pourquoi n’a-t-on pas encore réussi à créer de l’énergie de cette manière de façon récurrente ? De nombreuses difficultés se sont présentées, que j’ai un peu passées sous silence jusque-là pour présenter le principe général. En fait, il est à l’heure actuelle difficile de prédire le comportement des plasmas lorsqu’ils sont confinés par des champs magnétiques. Différents modèles mathématiques existent, mais la physique des plasmas reste un domaine vaste largement à l’étude aujourd’hui encore. D’autre part, la présence de défauts dans le milieu de réactifs engendre des interactions avec le plasma (typiquement la présence de poussières – il faut donc que la chambre torique soit sous vide : difficulté supplémentaire – ou même de bouts de paroi partiellement fondues ou érodées), interactions qu’il faudra savoir caractériser, voire éviter : il faut donc étudier les phénomènes de turbulence de plasmas toriques. C’est aussi ce à quoi ITER va servir !

Autres difficultés : comment choisir les bons matériaux pour la paroi, comment automatiser le mécanisme de fusion pour obtenir une source d’énergie industrialisable, comment avoir une source de réactifs en grandes quantités (on s’intéresse surtout à la fusion du deutérium et du tritium pour former des noyaux d’hélium) ? Pas si facile ! ITER parviendra-t-il à résoudre ces problèmes ? La réponse d’ici une dizaine d’années (oui parce que construire et réfléchir à tout ça prend du temps aussi).

Conclusion

En deux billets, on pu voir un joli bout de physique nucléaire. De la structure de l’atome à la création d’énergie, il s’agit d’exploiter judicieusement les réactions mises en jeu entre noyaux atomiques. Et cela demande une grande connaissance des phénomènes physiques et la mise en place de solutions technologiques adaptées ! J’espère que désormais le principe de fonctionnement des centrales nucléaires n’est plus un mystère, ni l’enjeu autour de la fusion nucléaire. On en entendra parler au cours des années qui viennent !

C’est tout pour ce billet, j’espère qu’il sera suffisamment clair ! N’hésitez pas à poster des questions en commentaire. Le site d’ITER est très bien fait et très pédagogique je vous invite à aller y faire un tour en guise de complément.

 

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