Fusion nucléaire pour produire de l’électricité : mythe ou réalité ?
Par Jacques Foos et Michel Gay
Pendant que la crise énergétique de l’Union européenne s’aggrave avec de potentielles coupures d’électricité en France, les États-Unis ont fait ce 5 décembre 2022 un (petit) pas de plus vers la fusion nucléaire.
Cette avancée technique leur permettra-t-elle de conforter leur position de leader dans l’énergie nucléaire ou la fusion nucléaire est-elle un mythe ?
La fusion nucléaire
L’histoire de la fusion est vieille comme l’Univers puisque les premières réactions nucléaires démarrent un millionième de seconde après le Big Bang !
Aujourd’hui encore, les étoiles, dont notre Soleil, se nourrissent de réactions nucléaires de fusion.
Plus de 90 % des étoiles de l’Univers brûlent leur hydrogène pour le transformer en hélium par des réactions de fusion.
Le Soleil consomme 460 millions de tonnes d’hydrogène chaque seconde ! Il en contient cependant assez pour briller encore environ 5 milliards d’années, et même davantage avec d’autres réactions nucléaires…
Depuis des décennies, des équipes de recherche du monde entier essaient de développer la fusion nucléaire dans le but d'en faire une source d'énergie propre, abondante et sûre. Elle pourrait permettre à l'humanité de rompre sa dépendance aux énergies fossiles.
Cette technologie qui fusionne deux noyaux d’hydrogène (en réalité, deux isotopes appelés deutérium et tritium) apparaît à certains comme le Graal pour une production illimitée d'énergie propre.
Un long chemin
Le chemin reste toutefois long avant que cette solution ne soit viable à l'échelle industrielle et commerciale: « Pour transformer la fusion en source d'énergie, nous devrons augmenter encore le gain d'énergie », a averti un des auteurs de la percée technique du 5 décembre 2022.
Mais si la fusion nucléaire représente le Graal de l’énergie, il va probablement le rester longtemps (sauf en laboratoire en consommant plus d’énergie qu’il n’en produit) car c’est une impasse industrielle pour au moins le siècle à venir...
Produire de l’électricité au moyen de la fusion est inatteignable avec les matériaux actuels et prévisibles. Le prix Nobel Georges Charpak ne croyait pas non plus en cette filière...
Certains antinucléaires doivent le savoir aussi, ou s’en douter, car ils semblent étrangement pousser dans cette voie sans issue avec peut-être l’arrière-pensée de mieux effondrer le nucléaire actuel par effet d’évictions des financements et de dispersions des talents...
D’autres y trouvent une source de financements car ça plaît aux politiciens totalement ignorants du sujet...
L’argent gaspillé dans cette voie serait beaucoup mieux employé dans le développement des réacteurs actuels et des réacteurs à neutrons rapides (RNR) surgénérateurs de quatrième génération...
De quoi s’agit-il ?
Les réactions de fusion sont les plus énergétiques connues aujourd’hui (7 fois plus que les réactions de fission utilisées dans nos réacteurs nucléaires).
Toutefois, pour que des noyaux atomiques puissent fusionner, il faut les faire « se toucher », ce qui nécessite, même pour les plus petits d’entre eux, des températures considérables, de plusieurs dizaines, voire centaines de millions de degrés !
Si ces températures sont possibles juste après le Big Bang ou au sein des étoiles, c’est une autre affaire de recréer sur Terre de telles conditions, surtout pour contrôler la réaction et maîtriser la production de chaleur au sein de matériaux, et ensuite produire de l’électricité.
Le contrôle !
Aucun matériel connu ne résiste aujourd’hui à ces températures extrêmes de plusieurs centaines de millions de degrés, ce qui explique pourquoi la première utilisation de ces réactions de fusion a été militaire, sous forme d’une bombe dite « à hydrogène » (bombe H) car, dans ce cas, il n’y a pas à contrôler la réaction.
Au contraire, il s’agit de la rendre la plus chaude en un minimum de temps, et donc la plus explosive possible.
De plus, une bombe nucléaire « classique » à fission (bombe A) est utilisée initialement en interne dans la bombe H pour obtenir la très haute température nécessaire au déclenchement de la réaction de fusion entre les deux autres formes de l’hydrogène appelé deutérium (un proton + un neutron) et tritium (un proton + deux neutrons).
Mais contrôler la réaction dans une enceinte nécessite de trouver comment produire cette énergie gigantesque au départ dans des matériaux qui ne supportent pas, à l’état solide, des températures dépassant quelques milliers de degrés alors qu’il faut atteindre des centaines de millions de degrés !
D’où l’idée de confinement magnétique.
Le confinement magnétique
Les premières expériences pour tenter de confiner la chaleur (dans un état désordonné de la matière appelé « plasma ») avec des champs magnétiques ont eu lieu aux Etats-Unis dès 1938. Le premier brevet de réacteur à fusion a été déposé au Royaume-Uni en 1946 (par Thomson et Blackman).
Les premiers modèles expérimentaux de confinement de la chaleur de fusion dans des « tokamaks » prennent leur essor dans la décennie 1958-1968.
De 1968 à 2009, divers tokamaks fonctionnent dans le Monde.
Le tokamak français TFR installé au centre du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) de Fontenay-aux-Roses est le plus performant au monde de 1973 à 1976.
Depuis cette époque, quatre tokamaks : JET (Culham, Angleterre), JT60 (Japon), TFTR (Princeton, USA) et Tore Supra (Cadarache, France) ont apporté leur contribution scientifique. La puissance thermonucléaire produite a dépassé le mégawatt et la durée de l’impulsion a frôlé la minute.
ITER
En 2010, le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) doit démontrer la faisabilité industrielle d’un réacteur utilisant les réactions de fusion contrôlée. Ce n’est donc même pas encore un prototype ! C’est le premier réacteur qui devrait produire d’avantage d’énergie qu’il n’en consomme pendant environ… 5 minutes ! Mais toujours pas d’utilisation de la chaleur, ni de production d’électricité… Aujourd’hui, alors que le coût du projet dépasse les 26 milliards d’euros (!), les premiers résultats ne sont pas attendus avant 2035 au moins !
Certes, la fusion du deutérium et du tritium n’engendre pas de produits de fission, mais du tritium (peu radiotoxique mais difficile à confiner car c’est le plus petit des éléments de la nature) et des produits d’activation à cause des neutrons qui s’échappent dans tous les matériaux de structure (ce qui n’est pratiquement pas le cas dans les réacteurs d’aujourd’hui).
De nombreux physiciens « s’interrogent » sur ce projet gigantesque à l’avenir incertain. Certains, dont le Prix Nobel Georges Charpak, demandaient même en 2010 l’arrêt du projet ITER dont le coût assécherait les autres filières nucléaires plus prometteuses.
Si ce projet ITER aboutit, les retombées technologiques bénéficieront au monde entier, même à ceux qui n’ont pas payé « pour voir ». Et la France paie un lourd tribut.
A l’heure où d’importants sacrifices sont demandés aux Français, est-il raisonnable d’engloutir des milliards d’euros dans cette technologie à l’avenir très lointain (quelques siècles), et qui est probablement une impasse ?
Une énergie inépuisable
L’argument d’une source d’énergie inépuisable qui prévalait il y a quelques décennies ne vaut plus aujourd’hui.
L’avènement des réacteurs de 4ème génération, en particulier, les réacteurs à neutrons rapides (RNR), font de l’uranium une source d’énergie pour plusieurs millénaires dans des délais beaucoup plus proches qu’un hypothétique réacteur à fusion qui ne produira peut-être jamais d’électricité. La France possède déjà sur son sol un stock d’uranium appauvri pouvant alimenter cette filière pendant plus de… 7000 ans !
La France avait 30 ans d’avance sur les autres pays avec le RNR Superphénix capable de produire de l’électricité et de « régénérer » du combustible nucléaire, avant d’être arrêté pour de sombres raisons d’alliances politiques… Il avait même la capacité de régler le problème des déchets radioactifs à vie longue : un réacteur presque idéal.
Il a été fermé en 1997 par Lionel Jospin (alors premier Ministre) qui voulait dans son gouvernement l’antinucléaire déclarée Dominique Voynet pour rallier les Verts. Cette fermeture a été la condition sine qua non exigée pour participer au gouvernement. Lionel Jospin n’a pas hésité !
Une timide reprise des recherches sur ces réacteurs surgénérateurs a été tentée avec la décision de Jacques Chirac en 2006, de lancer la construction d’un nouveau réacteur de ce type appelé Astrid (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration).
Malheureusement, Emmanuel Macron, après avoir décidé la fermeture de la centrale de Fessenheim et ses 1 800 mégawatts électriques qui seraient bien utiles aujourd’hui, a décidé l’arrêt définitif de ce projet, laissant ainsi les mains libres aux Américains et aux Chinois !
Une avancée… relative
Dans l’expérience américaine du 22 décembre 2022, les lasers du « National Ignition Facility » ont déposé une énergie de 2,05 mégajoules (0,58 kWh) dans leur cible libérant ainsi 3,15 mégajoules (0,88 kWh), soit un facteur d'environ 1,5. Certes, c'est le rapport sortie/entrée le plus élevé jamais atteint dans une expérience de fusion, mais il faut tout de même noter que pour déclencher la réaction de fusion les lasers ont nécessité d’extraire environ… 300 mégajoules (84 kWh) du réseau !
Le processus global est donc loin d’être positif (il est même très négatif…). Il a fallu produire ailleurs au minimum 100 fois plus d’énergie pour récupérer ces 3 mégajoules (moins de 1 kWh) !
Avant d’arriver à produire de l’électricité (et pas seulement un peu de chaleur) dans des centrales à fusion qui parsèment le paysage, il y a encore de nombreux obstacles rédhibitoires qui ne seront probablement pas surmontés au cours de ce siècle et peut-être jamais !
Bien que cette expérience américaine de fusion soit un progrès, la fusion par laser, ou par un autre moyen, est encore loin d’être utile pour produire de l’électricité, et la fusion restera peut-être à jamais un mythe coûteux.
La France serait bien avisée de se concentrer sur la réalité, et particulièrement sur ce qu’elle sait (ou savait) faire et de financer le nucléaire de 3ième et 4ième génération (EPR et RNR), alors qu’aucun réacteur n’a été mis en service depuis 20 ans et que le projet ASTRID de 4ième génération a été abandonné début 2019.
Jacques Foos est l’auteur du livre : « Regard sur la Société d’aujourd’hui pour préparer efficacement celle de demain. Chroniques du XXIe siècle. » (Éditions HDiffusion - Paris - mai 2019)