L’avenir de la filière à fusion nucléaire décentralisée
Les gouvernements ont dépensé des milliards de dollars pour mener des études sur cette source d’énergie propre. Aujourd’hui, des entreprises privées construisent des réacteurs plus petits, plus rapides et moins chers. La. société de M. Hawker, First Light Fusion, fait partie d’une vingtaine de start-up qui poursuivent le rêve de produire de l’électricité en compressant des atomes.
La fusion nucléaire, théorisée pour la première fois il y a un siècle et prouvée possible des décennies plus tard, est la même source d’énergie qui éclaire le soleil et toutes les autres étoiles ; elle sert également aux bombes à hydrogène. Il suffit de faire pression sur de petits atomes pour en générer de plus gros, un processus qui libère d’énormes quantités d’énergie, sans émissions de gaz à effet de serre et avec une radioactivité limitée.
Le hic, c’est que ces atomes se repoussent les uns les autres, et surmonter cette résistance exige une puissance énorme. Dans les étoiles, la gravité fait le travail, mais sur Terre, nous devons trouver d’autres méthodes. Les scientifiques construisent désormais des systèmes qui compressent, malmènent et bombardent les atomes pour les soumettre. Leur défi consiste à obtenir d’une réaction beaucoup plus d’énergie qu’ils n’en investissent, un exploit que personne n’a encore accompli.
Les préoccupations relatives au réchauffement climatique ont apporté une nouvelle intensité à un domaine qui a stagné pendant des années. En décembre, le Congrès américain a augmenté les dépenses de recherche dédiée à la fusion, la reconnaissant comme une source d’énergie propre prometteuse pour alimenter de manière fiable les grandes économies.
« Si nous parvenons à recréer la fusion, ce serait vraiment le moyen idéal de produire de l’énergie », explique Steven Cowley, directeur du laboratoire de physique des plasmas de Princeton – un pionnier dans ce domaine – administré par l’université de Princeton pour le compte du ministère de l’Energie.
Princeton et de nombreux autres laboratoires de pointe tentent de fusionner les isotopes d’hydrogène en les enveloppant dans un champ magnétique intense qui piège et compresse les atomes, les chauffant à des températures dix fois supérieures à celles du noyau solaire. Les physiciens génèrent le champ avec des électroaimants qui demandent tellement de courant qu’ils doivent être supraconducteurs, ce qui nécessite un refroidissement proche du zéro absolu – la température où tout mouvement s’arrête.
Pendant des années, les scientifiques ont pensé qu’il fallait pour cela des réacteurs suffisamment grands pour que la réaction puisse se produire et qu’ils soient alimentés par des électroaimants plus lourds qu’une baleine bleue et des congélateurs de la taille d’une maison. Les budgets se chiffraient en milliards de dollars, ce qui signifie que seuls les gouvernements pouvaient financer des expériences de fusion nucléaire.
Les percées technologiques ont bouleversé ces hypothèses. Les progrès de l’informatique, des machines de précision et des matériaux synthétiques ont permis aux scientifiques de concevoir des réacteurs d’une taille et d’un coût bien inférieurs à ceux d’il y a quelques années. La baisse des prix a mis la fusion nucléaire à la portée des investisseurs privés, permettant l’éclosion d’entreprises.
Les progrès de la modélisation informatique ont mené M. Hawker de First Light vers la fusion nucléaire il y a plus de dix ans, alors qu’il préparait un doctorat sur la simulation de la dynamique des fluides à l’Université d’Oxford. Le conseiller de M. Hawker, Yiannis Ventikos, a été intrigué par les bulles qui implosent sous l’effet d’une force intense, comme celles produites par la pince de la petite crevette-pistolet, qu’elle claque pour générer une « balle à bulles » qui étourdit sa proie. En 2001, les scientifiques avaient montré que les implosions produisaient non seulement du bruit, mais aussi une pression extrême, un éclair de lumière intense – appelé « shrimpoluminescence » – et des températures dépassant les 5 000 degrés Kelvin.
Des décennies auparavant, les physiciens avaient envisagé l’implosion des bulles pour déclencher la fusion, mais ne disposaient pas de la puissance informatique et des mathématiques nécessaires pour la modéliser, alors ils ont cherché ailleurs. En réexaminant la question à l’aide d’algorithmes avancés et de puissants processeurs, M. Hawker et M. Ventikos ont montré qu’il était possible de générer les conditions de millions de degrés nécessaires à la fusion.
Aujourd’hui, First Light a levé 32,8 millions de dollars pour construire des machines permettant de tester ce qu’elle a modélisé informatiquement. Si les ondes de choc se vérifient, l’étape suivante consistera à construire un prototype de générateur, potentiellement dès 2025.
« Des choses qui étaient impensables il y a dix ou vingt ans sont maintenant assez simples », lance Jonathan Carling, directeur général de Tokamak Energy, une autre start-up basée près d’Oxford, en Angleterre, un hub dédié à la fusion.
Tokamak Energy, qui a récemment levé 87,3 millions de dollars, et au moins deux start-up nord-américaines visent également à mettre en service vers 2025 des prototypes de réacteurs à fusion, chacun ayant à peu près la taille des turbines des centrales électriques traditionnelles.
Si l’un de ces pionniers réussit, cela marquera un bond scientifique susceptible de figurer dans le Livre de records. Jusqu’à récemment, le leader incontesté sur la voie de la réalisation d’une réaction de fusion autonome – un obstacle crucial avant le développement de centrales électriques – était un consortium de 35 pays basé dans le sud de la France, appelé ITER. Proposé pour la première fois lors d’un sommet en 1985 entre le président Reagan de l’époque et le dirigeant soviétique Mikhaïl Gorbatchev, le projet est aujourd’hui un vaste chantier en construction de plus d’une douzaine de bâtiments. Le plus grand système de fusion au monde est constitué d’un cylindre de 30 mètres de haut abritant un cœur de réacteur en forme de beignet de 11 mètres de haut.
Le projet, d’un coût de plus de 20 milliards de dollars, a été conçu pour démontrer la viabilité de la fusion nucléaire et développer les technologies nécessaires – et non pour mettre l’énergie générée sur le réseau.
« ITER est vraiment l’étape finale de la recherche sur la fusion pour permettre la conception et la production de machines commerciales », explique le directeur général Bernard Bigot dans son bureau qui surplombe des armées de travailleurs équipés de casques de protection.
Le projet ITER, dont les essais doivent commencer en 2025 pour parvenir à la fusion vers 2035, vise à décupler par dix la puissance entre l’entrée et la sortie. Si tout se déroule comme prévu, M. Bigot prévoit que d’autres s’appuieront sur les recherches d’ITER pour construire des centrales de fusion commerciales dans les années 2050.
Les entreprises privées ne sont pas les seules à essayer d’aller plus vite. Selon l’Académie des sciences chinoise, un nouveau projet du gouvernement chinois a pour objectif de parvenir à la fusion nucléaire avant 2050.
La réussite d’un nouveau venu ne signifierait pas qu’ITER est inutile. Les responsables de cette industrie en pleine croissance affirment que les progrès récents auraient été impossibles sans le travail effectué par des projets gouvernementaux comme ITER et le laboratoire de Princeton.
« Nous allons beaucoup apprendre d’ITER », assure Bob Mumgaard, directeur général de Commonwealth Fusion Systems, une start-up basée à Boston et issue du Massachusetts Institute of Technology (MIT), un autre hub dédié à la fusion nucléaire.
M. Mumgaard, qui a travaillé auparavant au MIT sur les premières recherches sur ITER, illustre le lien existant entre les laboratoires et les start-up. Comme pour la commercialisation des activités spatiales, les entrepreneurs qui rêvent de fusion nucléaire ont tiré parti de la recherche gouvernementale et ont engagé des experts gouvernementaux.
« Pour la fusion nucléaire, c’est un peu le moment SpaceX », explique Christofer Mowry, directeur général de General Fusion, une entreprise basée à Vancouver, au Canada, en faisant référence à la façon dont Elon Musk a créé Space Exploration Technologies, connu sous le nom de SpaceX, en commercialisant le travail du programme spatial américain. « Notre point de départ est basé sur une science mature ».
L’approche de General Fusion – la compression mécanique à l’intérieur d’un réacteur sphérique utilisant des pistons synchronisés – a été rendue possible en partie par l’impression 3D et les contrôles industriels numériques, poursuit M. Mowry.
Commonwealth Fusion, à Boston, et Tokamak Energy, à Oxford, ont tous deux pour objectif de réduire le réacteur en forme de beignet d’ITER à une taille qui pourrait tenir dans un gymnase en recourant à de nouveaux électro-aimants d’environ 2 % de la taille de ceux d’ITER. Les aimants utilisent de nouveaux alliages qui deviennent supraconducteurs à des températures pouvant être atteintes avec de l’hélium disponible dans le commerce, et sont donc beaucoup moins coûteux et énergivores à exploiter.
First Light évite les aimants et s’appuie davantage sur la compression physique dans une bulle qui implose, un procédé minutieusement planifié sur les ordinateurs. Les progrès en matière de puissance de traitement ont permis de simuler des ondes de choc d’une incroyable rapidité, de même que les avancées dans la science de la modélisation et de l’apprentissage machine. « Un ordinateur plus gros ne suffit pas », assure M. Hawker.
La perspective de réacteurs de fusion compacts et abordables produisant une énergie abondante mais sans émettre de gaz à effet de serre qui, selon les chercheurs, contribuent au changement climatique, a suscité l’intérêt des investisseurs. Les 21 start-up de la Fusion Industry Association – un lobby du secteur qui cherche à obtenir le soutien du gouvernement et le cadre législatif nécessaire à la fusion – ont levé ensemble jusqu’à 1,5 milliard de dollars, dont la majeure partie ces cinq dernières années, explique le directeur exécutif Andrew Holland. Lors de la création de l’association en 2017, seules 14 entreprises étaient concernées, ajoute-t-il.
En décembre, à l’occasion de son cinquième tour de table, General Fusion a levé 65 millions de dollars notamment auprès du fonds souverain de Singapour, Temasek. Bill Gates et Jeff Bezos ont financé des start-up de fusion nucléaire à travers des fonds destinés à transformer le secteur de l’énergie. Peu d’investisseurs sont des capital-risqueurs traditionnels. Comme les investissements pourraient mettre des années à être remboursés, les investisseurs actuels sont « presque des philanthropes », note M. Cowley de Princeton. « Ils veulent faire partie de quelque chose qui va changer le monde. »
M. Bigot d’ITER craint que certains ne soient trop optimistes. « Je ne vois aucune option actuellement explorée qui permettrait de fournir une énergie continue au réseau d’ici 2030 », dit-il. Il se demande s’il existe des matériaux pour protéger l’intérieur des réacteurs de fusion compacts, qui pourraient devenir encore plus chauds que sa gigantesque machine.
« S’ils réussissent, nous les applaudirons », assure Tim Luce, responsable des sciences et des opérations d’ITER.
La radioactivité est un sujet qui ne suscite pas de grandes inquiétudes. Les réactions thermonucléaires ne peuvent pas faire d’incontrôlables boules de neige si un réacteur se casse, comme c’est le cas des réacteurs nucléaires à fission existants ; sans la chaleur et la pression nécessaires pour le maintenir, la fusion s’arrêterait tout simplement. Les composants des réacteurs utilisés dans la fusion ne présenteraient pas de danger avant longtemps, car seule une petite quantité de combustible légèrement radioactif est nécessaire et le résidu a une période radioactive relativement courte. Les déchets de fission, qui sont beaucoup plus radioactifs, durent des siècles.
Dans le monde thermonucléaire, un autre consensus a émergé : il ne s’agit plus d’une énigme scientifique. Aujourd’hui, la fusion présente des défis d’ingénierie en matière d’équipements, de matériaux et de conception qui peuvent être relevés avec du temps, des essais et de l’argent, affirment ses promoteurs.
« Il ne s’agit pas de savoir si mais quand », conclut M. Luce d’ITER.
Traduit dans l’Oinion à partir de la version originale en anglais