ITER et le président Macron

A l'occasion du lancement de l'assemblage du tokamak du projet ITER, Emmanuel Macron a rappelé la perspective de la mise au point "d'une énergie non polluante, décarbonée, sûre et pratiquement sans déchet, qui permettra tout à la fois de répondre aux besoins de toutes les zones du globe, de relever le défi climatique, et de préserver les ressources naturelles.» Vrai ?

        À l'occasion du lancement de l'assemblage du tokamak du projet ITER, le 28 juillet 2020, le Président de la République a adressé un message dont j’extrais les quelques lignes suivantes : « Imaginez que l’expérience soit concluante, qu’elle puisse trouver demain des applications industrielles ; nous aurons mis au point, là, une énergie non polluante, décarbonée, sûre et pratiquement sans déchet, qui permettra tout à la fois de répondre aux besoins de toutes les zones du globe, de relever le défi climatique, et de préserver les ressources naturelles. Avec la fusion, le nucléaire peut devenir une filière d’avenir. »  

                 Il y a du vrai et du moins vrai dans ces propos, voire du manifestement erroné. Pour apprécier l’étape qui vient d’être célébrée, rappelons de quoi il s’agit.

                La  finalité ultime de la fusion nucléaire, c’est de produire de l’électricité. L’électricité, c’est un mouvement d’électrons dans un conducteur. Pour cela, on utilise une des lois fondamentales de la nature, qui veut que lorsqu’on déplace un aimant devant un circuit fait d’un métal conducteur, les électrons de ce métal se mettent en mouvement. Si l’on ne veut pas être contraint à faire bouger les aimants à la main, il faut une machine pour le faire à notre place. Dans une centrale électrique classique, le mouvement des aimants, rotatif, est réalisé par une turbine à vapeur. Il faut donc produire cette vapeur, en terme plus familier faire bouillir de l’eau à l’aide d’une source de chaleur.  Et c’est là que se différencient les centrales : la source de chaleur peut être obtenue en faisant brûler du charbon, du gaz ou en faisant fissionner des noyaux d’uranium. Le projet dans lequel s’inscrit ITER, c’est de produire la chaleur nécessaire en faisant fusionner deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium[1].

                Il se trouve que, parmi toutes les méthodes de production de chaleur, la fusion est la plus efficace, au sens où c’est celle qui utilise le moins de ressource. Si l’on définit la concentration d’une source d’énergie par la quantité de matière qu’il faut transformer pour produire une quantité donnée d’énergie, alors la fusion est quatre fois plus concentrée que la fission, laquelle est des millions de fois plus concentrée qu’une source chimique. Pour donner un ordre d’idée, faire fonctionner une centrale à fusion de 1 GW pendant un an – si l’on y parvient un jour – ne nécessitera qu’une centaine de kilos de deutérium et de tritium, alors qu’un réacteur actuel nécessite 27 tonnes d’uranium, et une centrale à charbon de même puissance 260 tonnes de charbon à l’heure. Si l’on utilise l’éolien ou le solaire, qui sont des sources encore moins concentrées, il faut mettre en place 1000 éoliennes de 5 MW ou 30 kilomètres-carrés de panneaux photovoltaïques – et il reste à gérer l’intermittence de leur production. Du point de vue préservation de ressources naturelles, ce qu’indique Emmanuel Macron est donc juste.

                Mais aujourd’hui on est loin, voire très loin d’être capable de produire de l’électricité à partir de la fusion nucléaire. Le nom-même d’ITER, acronyme de International Thermonuclear Experimental Reactor, est trompeur, car il ne s’agit pas à proprement parler d’un réacteur. ITER sera une machine permettant d’étudier le comportement d’un plasma[2] porté à une température de 150 millions de degrés. Cette température est nécessaire pour que les noyaux de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène qui se repoussent car ils portent la même charge électrique, aient une probabilité de fusionner. Dans le Soleil, le plasma est maintenu ensemble par l’attraction gravitationnelle. La masse de l’étoile est tellement grande que la gravitation permet de compenser la pression du plasma. Le Soleil est en quelque sorte un réacteur de fusion à confinement gravitationnel. Sur Terre, la masse n’est pas suffisante pour assurer le confinement du plasma. On utilise donc un confinement magnétique : un fort champ magnétique contraint les particules chargées à tourner à l’intérieur d’une enceinte à vide qui a la géométrie d’un pneu (un tore), et les réactions de fusion ont lieu au sein du plasma en rotation. C’est la géométrie adoptée au Joint European Torus (JET) en Angleterre, à Torre Supra à Cadarache, et au TFTR de Princeton[3]. Le comportement d’un tel plasma est un problème difficile, car le plasma est hautement turbulent. Cela signifie que le comportement d’une grande machine ne peut être obtenu à partir du comportement d’une machine réduite, par simple extrapolation. Le but d’ITER est essentiellement celui-là : contenir et maîtriser la turbulence d’un plasma de 840 mètres-cubes dans une enceinte à vide de 1400 mètres-cubes, sans réaction de fusion en son sein.

                Si cette première étape est atteinte, vers 2035, il faudra s’attaquer aux autres problèmes, à savoir :

  • production du tritium in situ
  • récupération de l’énergie
  • tenue des matériaux.

                 La fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium produit un noyau d’hélium et un neutron. Le deutérium existe à l’état naturel (environ 32 g/m3 dans l’eau de mer), mais pas le tritium, qui est instable. Il faut donc le produire in situ. Pour cela, il est prévu d’utiliser les neutrons, très énergétiques, produits par la réaction de fusion, pour casser des noyaux de lithium circulant dans la paroi de l’enceinte. Mais comme tous les neutrons ne seront pas efficaces pour cela, il faut d’abord les multiplier en provoquant une réaction de fission sur du béryllium. On devine la complexité d’une telle paroi.

                Quant à l’énergie de fusion, celle du soleil apparaît sous forme lumineuse, mais celle d’un plasma terrestre se trouvera sous forme d’énergie cinétique des noyaux d’hélium et des neutrons. Comment la récupérer ? Le problème est d’autant plus complexe que les neutrons, dépourvus de charge électrique, sont insensibles au champ magnétique et viennent donc frapper la paroi. Or leur énergie est suffisante pour y déclencher des réactions de fission des noyaux qui la constitue. Ces réactions produisent de la radioactivité alpha, c’est-à-dire des noyaux d’hélium, qui migrent dans la paroi à haute température, se rassemblent sous forme de bulles qui font gonfler la paroi et la rende poreuse. Or il est essentiel que cette paroi soit étanche ! Etanche et poreuse à la fois, il y a là une contradiction que personne ne sait résoudre aujourd'hui.

                Cette question de la tenue des matériaux au flux de neutrons très énergétiques (environ dix fois plus que ceux produits dans une centrale à fission) est tellement cruciale qu’il est prévu de construire une machine spécialement dédiée, IFMIF, pour International Fusion Materials Irradiation Facility. Si l’on se rend sur le site d’ITER, curieusement, on n’en apprend pas beaucoup sur IFMIF, comme si la question était secondaire. Lorsqu'on demande aux responsables du projet ITER pourquoi les études concernant la régénération du tritium et la tenue des matériaux ne sont pas plus avancées, la réponse qui vient est qu’on ne peut convaincre les « décideurs » de financer ce genre d’études que si on leur montre que les problèmes relatifs au plasma sont maîtrisés. Les problèmes de matériaux sont considérés comme secondaires, comme de ces problèmes d’ingénieur qu’on finit toujours par résoudre. Mais il n’est pas sûr que ces réponses soient les bonnes. En tout cas, si le problème des matériaux n’est pas résolu, il n’y aura jamais de réacteur à fusion : ITER, dit-on, c’est le soleil dans votre cuisine. Mais si l’on ne sait pas construire une casserole, on ne peut rien mettre dedans.

                Les grandes étapes qui restent à atteindre sont les suivantes : vers 2035, on espère maîtriser suffisamment le plasma pour y déclencher des réactions de fusion. Mais ce ne sera pas de la production en continu, il s’agira de bouffées de tritium injectées dans l’enceinte contenant le plasma de deutérium, et on ne produira donc pas d’électricité. Cette étape sera réservée à un projet ultérieur dénommé DEMO, qui devra montrer qu’un fonctionnement en continu est possible et produire de l’électricité avec le rendement annoncé. Produire de l’énergie nécessite d’en dépenser, ne serait-ce que pour faire fonctionner les aimants supraconducteurs. Le taux de retour énergétique annoncé pour la fusion est d’au moins 10, autrement dit on doit récupérer dix fois plus d’énergie que celle qui investie pour le fonctionnement de l’installation. Si cette étape est franchie, alors il faudra réaliser un prototype industriel de réacteur et envisager une production de masse. Compte tenu des difficultés de l’ensemble du projet, dont le budget initial a déjà été multiplié par 4 en quinze ans et qui a pris plusieurs années de retard sur la planification initiale, il est difficile d’envisager la constitution d’une filière industrielle avant la seconde moitié du siècle, voire la fin du siècle.

                Revenons à la déclaration d’Emmanuel Macron. Il est vrai que la fusion représente la forme la plus concentrée d’énergie, donc la plus économique du point de vue des ressources. Elle est également sûre, car la quantité de combustible présent dans l’enceinte à chaque instant est très faible et il n’y a pas de risque d’emballement. Il est également vrai que la fusion éviterait la production les déchets à haute activité et à vie longue des réacteurs à fission actuels. Le point faible de la déclaration du Président concerne à l’évidence le défi climatique. Compter sur la fusion pour remplacer les sources d’énergie fossiles et décarboner nos sociétés, c’est renoncer à tout action conséquente pour limiter le réchauffement climatique, non pas à 2°C, mais à 3 ou 4°C ! Le climat de 2030 ou 2040 est déjà joué, car il est déterminé par la quantité de gaz à effet de serre qui a été émise jusqu'à présent, ce que nous allons émettre d’ici là n’est qu’une petite correction. Mais celui de la seconde moitié du siècle dépend de ce que nous faisons aujourd’hui et dans les années qui viennent. La fusion, qui en est au stade de la recherche fondamentale, n’est pas dans la temporalité de l’action climatique.  

                Certains critiques de la perspective de la fusion comme source d’énergie disent avec humour : la fusion est l’énergie de l’avenir, et il en sera toujours ainsi (fusion is the energy source of the future, and it will always be). Manifestement, Emmanuel Macron n’a retenu que la moitié de la phrase…

 

PS. Le "nucléaire du futur", si l'on en cherche un, est plutôt à chercher du côté de réacteurs à neutrons rapides. En France, cela passait par la réalisation du réacteur Astrid, que la direction du CEA a décidé d'abandonner fin 2019. Chercher l'erreur.  

 

[1] La fission est le processus par lequel un noyau lourd, par exemple l’uranium-235, se brise en deux noyaux plus petits. La fusion est le processus par lequel deux noyaux légers fusionnent pour former un noyau plus gros. Les deux processus s’accompagnent d’un dégagement d’énergie.

[2] Un plasma est un état de la matière dans lequel les électrons ne sont plus liés aux noyaux.

[3] Tokamak est l’acronyme russe de « enceinte toroïdale avec bobines magnétiques ».

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