La semaine dernière, des politiciens et des dirigeants se sont réunis à Glasgow pour la COP26 afin d'aplanir les politiques susceptibles d'atténuer la crise climatique. Parce que le besoin d'énergie alimente cette crise, il pourrait être tentant de regarder le soleil brûlant et de se demander si nous pourrions faire ce qu'il fait, c'est-à-dire la fusion nucléaire.
Les scientifiques tentent depuis des décennies de réaliser la fusion. Cependant, pour y parvenir, il faut surmonter un nombre immense de défis logistiques. Bien que la fusion soit une science qui évolue lentement, les scientifiques se rapprochent de plus en plus de la réalisation de leur rêve.
Ils partagent leurs efforts entre deux types de réacteurs à fusion. Une approche va grand et essaie de déclencher la fusion dans une chambre de la taille d'une pièce. L'autre va petit et essaie de faire la même chose dans une pastille de la taille d'une épingle. Mais les deux, en fin de compte, essaient d'imiter ce qui se passe au soleil.
Notre étoile produit son immense chaleur et sa lumière aveuglante en fusionnant des atomes d'hydrogène, qui s'entrechoquent pour créer de l'hélium et une quantité incroyable d'énergie. C'est ce que les chercheurs en fusion veulent faire en fin de compte :si nous pouvions créer ne serait-ce que l'ombre pâle d'une étoile sur Terre, cela ouvrirait la porte à des quantités incroyables d'énergie propre.
Ce sont les deux approches les plus prometteuses.
Le soleil peut facilement fusionner des atomes d'hydrogène en raison des conditions infernales en son centre. À des températures de dizaines de millions de degrés, les atomes surmontent les forces électromagnétiques qui les séparent naturellement. Ils fusionnent. Cette réaction ne produit aucun gaz à effet de serre.
À de telles températures, les atomes sont si chauds qu'ils perdent leurs électrons et deviennent une soupe brûlante de particules chargées électriquement, appelée plasma. En appliquant des champs électriques et magnétiques, les scientifiques peuvent manipuler et remuer cette soupe.
Créer du plasma sur Terre est faisable. Mais ce n'est que la première étape. Ensuite, les physiciens doivent comprimer le plasma à des densités suffisamment élevées. Une façon de faire est de mettre le plasma dans une cage magnétique dure. C'est ce qu'on appelle la fusion par confinement magnétique.
Le récipient le plus connu pour cette méthode est le tokamak :une chambre en forme de beignet généralement aussi grande qu'une pièce de taille moyenne. Les parois de la chambre abritent de puissants aimants, qui aident à encercler le plasma jusqu'à ce qu'il atteigne des densités suffisamment élevées pour que la fusion puisse se lancer.
L'objectif longtemps recherché de la fusion est un seuil appelé "allumage", lorsque le réacteur produit plus d'énergie que nécessaire pour le démarrer - une référence nécessaire pour rendre viable une centrale à fusion. Mais même si la fusion par confinement magnétique existe depuis les années 1950, jusqu'à présent, aucun réacteur de ce type ne s'est approché de cette marque.
Mais cette date, espèrent les scientifiques, pourrait être en vue. En construction, niché dans les collines du sud de la France, se trouve le tokamak le plus grand et le plus puissant que le monde ait jamais vu :le réacteur thermonucléaire expérimental international, ou ITER. Son tokamak sera dix fois plus spacieux que le plus grand d'aujourd'hui. En préparation depuis plus d'une décennie, ITER espère commencer ses opérations en 2025. On l'appelle l'expérience scientifique la plus chère de tous les temps.
A mi-chemin du tour du monde depuis la France, en août 2021, une autre sorte de réaction était en cours. Au National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie, des scientifiques ont annoncé qu'ils avaient effectué une fusion à une efficacité si élevée qu'elle avait presque atteint l'allumage.
Il n'y a pas de tokamak dans l'expérience réussie du NIF. Au lieu de cela, NIF utilise un type de réaction appelé fusion par confinement inertiel. Cela consiste à prendre une minuscule pastille d'hydrogène, généralement de la taille d'une tête d'épingle, et à la secouer avec de puissantes ondes de choc. Au fur et à mesure que ces ondes de choc passent sur la pastille, elles compriment et grillent l'hydrogène à l'intérieur à des pressions et des températures suffisamment élevées pour que la fusion se lance.
Les physiciens peuvent créer ces ondes de choc de multiples façons, mais presque tous s'appuient sur la visée de lasers à haute énergie sur la pastille. Certaines installations font exploser directement la pastille avec ces lasers. Au lieu de cela, le NIF convertit l'énergie du laser en rayons X, qui à leur tour frappent la pastille.
Cela prend plus d'énergie, mais cela rend également la configuration moins délicate et plus gérable en donnant aux scientifiques un peu plus de latitude pour travailler. «Le processus de compression de l'une de ces choses… est très capricieux. Tout doit être vraiment, extrêmement précis », explique Doug Larson, directeur du NIF.
Le NIF et ses homologues peuvent créer d'immenses pressions, plus que ce qui est possible dans un tokamak, mais les pressions dans un tokamak durent beaucoup plus longtemps.
"Sur NIF, nous pouvons créer des pressions allant jusqu'à quelque chose comme une centaine de milliards d'atmosphères - des pressions extrêmes vraiment, vraiment folles - mais ces choses existent dans notre chambre cible pendant des billionièmes de seconde", explique Larson.
Le NIF est la seule installation de fusion par confinement inertiel de sa taille, bien que d'autres installations de ce type, telles que le Laser Mégajoule à Bordeaux, en France, et le projet de Shenguang IV en Chine, pourraient un jour l'égaler.
Les physiciens disent que c'est une période passionnante dans le monde de la fusion. "Au cours de l'année écoulée, beaucoup de compréhension s'est en quelque sorte réunie de manière à ce que les progrès se soient vraiment accélérés" au NIF, déclare Larson.
Les réacteurs à fusion offrent la promesse d'une puissance quasi illimitée, mais ils sont loin d'être un remède immédiat à la crise climatique. L'expérience d'août au NIF reposait sur un laser qui peut pulser toutes les quelques heures, par exemple. Mais pour qu'une centrale à fusion à confinement inertiel soit commercialement viable, dit Larson, ce laser doit se déclencher toutes les quelques secondes. Le NIF prévoit de mettre à niveau ce laser.
Quant à ITER, le tokamak géant en construction en France, ce n'est qu'une étape intermédiaire vers la faisabilité de l'énergie de fusion. Ses constructeurs espèrent que les connaissances d'ITER permettront d'améliorer les réacteurs à fusion de prochaine génération, appelés Demonstration Fusion Power Plant, ou DEMO. DEMO, espèrent-ils, pourrait être ce qui amène la fusion au peuple. Ces centrales électriques ne commenceront pas à être construites avant les années 2030.
