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Energies- Fusion nucléaire : principe et avenir ?

Energies- Fusion nucléaire : principe et avenir ?

Pour obtenir des réactions de fusion, plusieurs pistes de recherche ont été empruntées par les scientifiques. Et parmi elles, deux méthodes concentrent la majeure partie des talents et des capitaux : la fusion par confinement inertiel par laser et la fusion par confinement magnétique.Un papier de Romain Segond dans l’Opinion

L’emballement médiatique récent concernait la première solution, qui consiste précisément à reproduire les conditions de densité extrême de l’hydrogène qui sont à l’origine de la création des étoiles. Or ces expériences ne semblent pas calibrées pour produire de l’énergie à l’échelle de nos besoins. Elles servent surtout à augmenter nos connaissances pour améliorer nos programmes de simulation de la dissuasion nucléaire.

Pour opérer une véritable transition énergétique et tenter de contenir le réchauffement climatique, les espoirs s’orientent donc vers la seconde solution : la fusion magnétique. Elle consiste moins à compresser les atomes d’hydrogène qu’à les introduire dans un plasma dont la température varie entre 100 et 150 millions de degrés. Ces conditions extrêmes sont nécessaires pour que les particules qui se rencontrent, fusionnent et libèrent de l’énergie.

Pour mieux comprendre la transformation qui s’opère au niveau des noyaux lors d’une réaction de fusion, discerner les différentes méthodes explorées par les chercheurs pour la reproduire en laboratoire, et sonder dans quelle mesure ces développements technologiques vont révolutionner nos systèmes énergétiques, voire devenir cruciaux pour lutter contre le changement climatique, nous avons interrogé Alain Bécoulet, qui dirige le domaine ingénierie du projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Quelle est la différence entre la fission et la fusion nucléaire ?

« La fission consiste à casser un gros noyau, en l’occurrence au-delà du fer, par une collision avec un neutron – ou un autre noyau – qui déstabilise le noyau et le casse en deux. Mais l’énergie qui est stockée dans un noyau peut aussi être libérée d’une autre façon : on prend de tout petits noyaux – de l’hydrogène – et on essaie de les coller l’un à l’autre. »

Qu’est-ce que la répulsion coulombienne et comment la vaincre ?
« En tant que noyaux, ils sont chargés positivement, à cause du fait qu’ils sont constitués de protons et de neutrons – les neutrons ne sont pas chargés mais tous les autres le sont. Donc si j’essaye de les rapprocher, comme deux pôles identiques d’un aimant, ils vont se repousser. Depuis très loin ils se sentent et se repoussent de plus en plus lorsqu’on se rapproche. Or si je veux faire entrer en ligne de compte la réaction nucléaire, il faut que j’aille suffisamment près pour qu’une autre force entre en jeu, les attire et cette fois-ci, les fasse fusionner. »

Qu’est-ce qu’un isotope de l’hydrogène ?
« C’est un atome auquel, dans le noyau, je vais rajouter ou enlever des neutrons. On ne modifie donc pas la charge globale ni le nombre d’électrons. Le deutérium, c’est de l’hydrogène, donc un proton avec son électron autour, et au proton on lui colle un neutron. Le tritium, c’est toujours dans la famille de l’hydrogène – un proton – mais on lui rajoute deux neutrons dans le noyau. La réaction de fusion la plus facile à réaliser, c’est la fusion de ces deux isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. »

Comment fonctionne la fusion par confinement inertiel ?
« C’est la solution qui consiste à mimer le soleil. Or on ne va pas pouvoir faire un nuage suffisamment large pour qu’il s’effondre sur lui-même et fusionne. Mais on peut quand même prendre une petite bille de mélange deutérium-tritium et l’écraser très fort. Pour ce faire, les pistons ne vont pas marcher mais les faisceaux laser vont fonctionner. Le principe c’est donc de soumettre d’un seul coup la petite bille à une pression radiative extrêmement violente et très rapide – quelques milliardièmes de seconde. A ce moment-là elle va s’effondrer, la densité va monter, la température également, et la fusion va s’enclencher. Aujourd’hui, toutes ces expériences sont faites pour calibrer notre physique, nos codes, dans ce qu’on appelle le programme de simulation de la dissuasion nucléaire. Elles ne sont pas faites pour, a priori, se diriger vers de la production d’énergie. »

Comment fonctionne la fusion par confinement magnétique ?
« Il s’agit de confiner un plasma en utilisant un champ magnétique. Quand une particule rencontre un champ magnétique, elle va se faire piégée en tournant autour. Donc si on est assez intelligent pour faire une ligne magnétique qui se referme sur elle-même dans une géométrie finie, la particule va tourner et ne pourra jamais s’échapper de son champ magnétique. Donc on chauffe le milieu et si on y introduit plusieurs atomes, ils vont finir par se rencontrer et fusionner. »

Qu’est ce qu’un plasma ?

« Il existe quatre états de la matière. L’état solide, liquide et gazeux que tout le monde connaît, et un quatrième état, lorsqu’on continue à chauffer un gaz très fort, qu’on appelle plasma. C’est un gaz qui a été tellement chauffé que les collisions, entre les atomes, finissent par éplucher leur cortège électronique. C’est-a-dire que les électrons vont être éjectés par le fait que les atomes se tapent les uns contre les autres lorsque la vitesse et l’énergie sont suffisantes. On va donc obtenir un mélange, une soupe de noyaux et d’électrons qui ne sont plus attachés les uns aux autres. Ce milieu est nécessaire pour que les noyaux se rencontrent directement et ne soient plus gênés par leurs électrons. »
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Fusion nucléaire : principe et avenir ?

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L’emballement médiatique récent concernait la première solution, qui consiste précisément à reproduire les conditions de densité extrême de l’hydrogène qui sont à l’origine de la création des étoiles. Or ces expériences ne semblent pas calibrées pour produire de l’énergie à l’échelle de nos besoins. Elles servent surtout à augmenter nos connaissances pour améliorer nos programmes de simulation de la dissuasion nucléaire.

Pour opérer une véritable transition énergétique et tenter de contenir le réchauffement climatique, les espoirs s’orientent donc vers la seconde solution : la fusion magnétique. Elle consiste moins à compresser les atomes d’hydrogène qu’à les introduire dans un plasma dont la température varie entre 100 et 150 millions de degrés. Ces conditions extrêmes sont nécessaires pour que les particules qui se rencontrent, fusionnent et libèrent de l’énergie.

Pour mieux comprendre la transformation qui s’opère au niveau des noyaux lors d’une réaction de fusion, discerner les différentes méthodes explorées par les chercheurs pour la reproduire en laboratoire, et sonder dans quelle mesure ces développements technologiques vont révolutionner nos systèmes énergétiques, voire devenir cruciaux pour lutter contre le changement climatique, nous avons interrogé Alain Bécoulet, qui dirige le domaine ingénierie du projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

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« La fission consiste à casser un gros noyau, en l’occurrence au-delà du fer, par une collision avec un neutron – ou un autre noyau – qui déstabilise le noyau et le casse en deux. Mais l’énergie qui est stockée dans un noyau peut aussi être libérée d’une autre façon : on prend de tout petits noyaux – de l’hydrogène – et on essaie de les coller l’un à l’autre. »

Qu’est-ce que la répulsion coulombienne et comment la vaincre ?
« En tant que noyaux, ils sont chargés positivement, à cause du fait qu’ils sont constitués de protons et de neutrons – les neutrons ne sont pas chargés mais tous les autres le sont. Donc si j’essaye de les rapprocher, comme deux pôles identiques d’un aimant, ils vont se repousser. Depuis très loin ils se sentent et se repoussent de plus en plus lorsqu’on se rapproche. Or si je veux faire entrer en ligne de compte la réaction nucléaire, il faut que j’aille suffisamment près pour qu’une autre force entre en jeu, les attire et cette fois-ci, les fasse fusionner. »

Qu’est-ce qu’un isotope de l’hydrogène ?
« C’est un atome auquel, dans le noyau, je vais rajouter ou enlever des neutrons. On ne modifie donc pas la charge globale ni le nombre d’électrons. Le deutérium, c’est de l’hydrogène, donc un proton avec son électron autour, et au proton on lui colle un neutron. Le tritium, c’est toujours dans la famille de l’hydrogène – un proton – mais on lui rajoute deux neutrons dans le noyau. La réaction de fusion la plus facile à réaliser, c’est la fusion de ces deux isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. »

Comment fonctionne la fusion par confinement inertiel ?
« C’est la solution qui consiste à mimer le soleil. Or on ne va pas pouvoir faire un nuage suffisamment large pour qu’il s’effondre sur lui-même et fusionne. Mais on peut quand même prendre une petite bille de mélange deutérium-tritium et l’écraser très fort. Pour ce faire, les pistons ne vont pas marcher mais les faisceaux laser vont fonctionner. Le principe c’est donc de soumettre d’un seul coup la petite bille à une pression radiative extrêmement violente et très rapide – quelques milliardièmes de seconde. A ce moment-là elle va s’effondrer, la densité va monter, la température également, et la fusion va s’enclencher. Aujourd’hui, toutes ces expériences sont faites pour calibrer notre physique, nos codes, dans ce qu’on appelle le programme de simulation de la dissuasion nucléaire. Elles ne sont pas faites pour, a priori, se diriger vers de la production d’énergie. »

Comment fonctionne la fusion par confinement magnétique ?
« Il s’agit de confiner un plasma en utilisant un champ magnétique. Quand une particule rencontre un champ magnétique, elle va se faire piégée en tournant autour. Donc si on est assez intelligent pour faire une ligne magnétique qui se referme sur elle-même dans une géométrie finie, la particule va tourner et ne pourra jamais s’échapper de son champ magnétique. Donc on chauffe le milieu et si on y introduit plusieurs atomes, ils vont finir par se rencontrer et fusionner. »

Qu’est ce qu’un plasma ?

« Il existe quatre états de la matière. L’état solide, liquide et gazeux que tout le monde connaît, et un quatrième état, lorsqu’on continue à chauffer un gaz très fort, qu’on appelle plasma. C’est un gaz qui a été tellement chauffé que les collisions, entre les atomes, finissent par éplucher leur cortège électronique. C’est-a-dire que les électrons vont être éjectés par le fait que les atomes se tapent les uns contre les autres lorsque la vitesse et l’énergie sont suffisantes. On va donc obtenir un mélange, une soupe de noyaux et d’électrons qui ne sont plus attachés les uns aux autres. Ce milieu est nécessaire pour que les noyaux se rencontrent directement et ne soient plus gênés par leurs électrons. »
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