La fusion nucléaire : une source d’énergie propre pour le futur ?

Je tiens à remercier Thibaut Atché qui m’a aidé sur le contenu de cette video en apportant des précisions techniques et scientifiques sur le sujet puisqu’il est ingénieur en énergie et particulièrement passionné par la fusion nucléaire.

Si l’espèce humaine espère vivre un jour dans un futur prospère et bénéfique, libre de la pauvreté, des pénuries et de la pollution, nous devons impérativement dépendre d’une source d’énergie durable, renouvelable, propre et abondante.

Si on prend du recul sur notre Histoire, on voit bien qu’à chaque fois que l’humanité a trouvé comment récolter une nouvelle source d’énergie pour la transformer selon nos désirs, cela s’est traduit par un saut technologique, économique et social.

Notre propre énergie physique, dégagée par notre force, nos muscles et notre rapidité, a été suffisante pendant des centaines de milliers d’années pour survivre. Mais lorsque nos ancêtres ont domestiqué certains animaux, chevaux, bovins, ânes, chameaux, etc., nous avons pu augmenter l’étendue des possibles.

Même chose lorsque nous avons compris comment utiliser l’énergie du feu, le charbon, le pétrole, la fission nucléaire pour alimenter nos besoins. Cette succession de découverte a été l’un des facteurs de l’évolution technique, technologique, culturelle, civilisationnelle … enfin de toutes les facettes qui déterminent la différence entre les époques de l’histoire humaine et qui se traduit par du progrès. Si vous souhaitez savoir de quoi je parle avec ce mot progrès, je vous invite à regarder cette vidéo.

Bref, tout cela serait parfait sans le “mais”. Car oui, forcément il y a un mais. Et vous savez surement de quoi il s’agit. Récolter l’énergie pour la transformer en électricité engendre des réactions comme gaz à effet de serre ou déchet nucléaire radioactif. Notre impact sur l’environnement a donc augmenté au point de ne plus pouvoir être ignoré.

Avec une population qui oscillera vraisemblablement entre 10 et 11 milliards à la fin du siècle, et un niveau de vie qui augmente globalement, les besoins énergétiques de l’espèce humaine n’ont jamais été aussi grands.

Heureusement il existe des solutions. L’une d’elles et la plus logique c’est de moins consommer ou alors de consommer de manière plus raisonnable. Mais également d’utiliser des énergies renouvelables comme le solaire, l’éolien, l’hydraulique associée à des batteries avancées pour avoir un mix énergétique décarboné. Deux thématiques qui ont déjà été abordées sur la chaîne dans ces deux vidéos.

Et on pourrait se dire que c’est tout, mais il se trouve qu’il existe des sources d’énergie bien plus important dans l’univers. Un exemple familier c’est le soleil. Pour comprendre comment fonctionne la fusion, il faut comprendre comment “fabriquer” un atome.

Un atome qu’est ce que c’est? 

Un atome c’est : 

• un noyau, composé de un ou plusieurs protons qui sont chargés +, et en général d’autant de neutrons.
• un nuage d’électrons qui “vole” au dessus du noyaux. Un peu comme l’atmosphère d’une planète. Le nuage d’électrons est chargé – 

Les protons comme de petits aimants se repoussent entre eux, tous ceux qui ont déjà essayé de coller deux pôle identiques d’aimants l’un à l’autre savent à quel point c’est compliqué. Il existe ainsi un mur quasi-infranchissable entre tous les protons de l’univers. Ils se repoussent tellement fort qu’à un moment donné seule une force colossale peut arriver à les coller l’un à l’autre. 

Heureusement pour nous, cette force existe! C’est ce qu’on appelle l’interaction forte. Cette force est inimaginable mais n’existe que sur des dimensions aussi petites que la taille du noyaux d’un atome. 

En résumé, pour fabriquer un atome, il faut arriver à franchir ce “mur” électromagnétique, à approcher les protons assez près l’un de l’autre, pour permettre à l’interaction forte de les coller l’un à l’autre. De les fusionner.

Donc maintenant que l’on sait fabriquer un atome, allons voir ce qui se passe au moment de sa fabrication. Pour cela prenons deux noyaux d’atomes d’hydrogène. Si on arrive à les approcher suffisamment l’un de l’autre alors il fusionnent et donne un atome d’Hélium. Tout l’intérêt de ce procédé tient dans le fait que lors de la réaction une partie de la masse initiale est convertie directement en énergie, dans les proportions modélisées par la fameuse équation E=MC2. De la masse transformée en énergie, ça libère beaucoup, beaucoup d’énergie. 

Mais comment réaliser ça sur terre? Commençons par regarder comment ça se passe dans les étoiles. 

• Dans les étoiles la pression est immense, les noyaux des atomes sont très proches les uns des autres. 
• Du fait de la température ces noyaux se déplacent dans tous les sens.
• Tout ça c’est un peu comme une foule à l’entrée du métro. Les noyaux vont avoir tendance à entrer en contact, et donc à fusionner, même s’ils n’en ont pas envie. 
• Malgré tout, dans le soleil la température n’est pas assez élevée pour que les réactions de fusion arrivent régulièrement. Le soleil ne devrait pas briller. Pourtant il brille, alors comment ça marche? 
• Et bien, grâce à la physique quantique ont arrive à montrer qu’un noyau d’atome existe potentiellement dans plusieurs endroit à la fois. Ainsi dans le soleil, de temps en temps, deux noyaux séparés par un mur électromagnétique, se retrouvent tout d’un coup du même côté du mur, et ainsi fusionnent. Cette réaction a très peu de chance d’arriver, mais heureusement dans le soleil on a des milliards d’années et beaucoup d’atomes. Donc la réaction arrive dans l’absolu assez souvent pour que l’étoile brille. 

Sur terre on n’a pas des milliards d’années, ni de matériaux capables de résister à des températures aussi élevées. Donc c’est beaucoup, beaucoup, beaucoup plus difficile.  On a essentiellement deux solutions : 

1. La fusion par confinement inertielle: un joli mot pour dire qu’on va donner une énergie phénoménale sous forme de pression et de température (bien bien plus grande que l’énergie au centre du soleil) sur un temps infiniment court à quelques atomes. C’est comme ça que l’on fait des bombes H. Tous les matériaux qu’on a utilisés sont globalement vaporisés sous l’effet de l’énergie dégagée. Pas idéal pour un réacteur donc. 
2. La fusion par confinement électromagnétique : on va piéger les atomes dans un champ électromagnétique, puis les chauffer très très fort pendant longtemps, un peu comme dans le soleil. Malheureusement avec un champ électromagnétique on ne peut pas atteindre de fortes pressions, encore moins la pression au centre du soleil. Et on n’a pas des milliards d’années. Il faut donc chauffer encore PLUS.

Répliquer ce processus dans une centrale sur Terre est le Saint Graal de la physique des énergies. C’est difficile, mais loin d’être impossible. De nombreux projets sont en cours, des centaines de scientifiques y travaille d’arrache-pied et le secteur du privé si intéressé avec des investissements financiers croissant. S’il y a bien une chose qui est claire avec l’humanité, c’est que lorsqu’il y a de l’argent à se faire, les verrous cassent et les portes s’ouvrent.

Les avantages de la fusion nucléaire?

Dans le soleil c’est majoritairement de l’hydrogène simple qui fusionne. Cette réaction si elle est déjà très intéressante n’est pas la meilleure possible. Sur terre on veut arriver à faire fusionner deux variantes/isotopes de l’hydrogène que sont le deutérium et le tritium. 

Le deuterium est très abondant dans l’eau de mer, mais le tritium est assez rare. Cela dit, on sait fabriquer du tritium au sein même du réacteur en exposant du Litium-6 aux neutrons produits par la réaction de fusion. Le litium-6 est lui assez abondant sur terre, mais pas illimité non plus. Le combustible nécessaire pour une centrale à fusion se trouve donc en quantité abondante, partout et peu cher sur Terre, contrairement à l’hydroélectricité, le solaire, l’éolien ou la géothermie qui sont géolocalisés et intermittents. C’est un des avantages premier.

Autres avantages, une quantité insignifiante de déchets nucléaires, et une sécurité accrue. Une centrale à fusion ne peut tout simplement pas exploser.

Et enfin, le plus gros bénéfice, c’est qu’avec un tout petit volume on peut produire une énergie absolument phénoménale Par exemple, avec 5 petits kg de mélange Deutérium-Tritium on peut produire autant d’énergie qu’avec tout le pétrole stocké dans le plus grand pétroliers qui ai jamais existé.  Ah ouais quand même ! Autrement dit, c’est la source d’énergie la plus propre, renouvelable, abondante et efficace que l’on connaît.

À ce jour, les scientifiques ont trouvé deux façons de répliquer la fusion nucléaire sur Terre. La première est d’utiliser un champ magnétique dans une structure ressemblant à un donut (appelé Tokamak, même si il existe d’autres architecture). Le but est de contenir du plasma chauffé jusqu’à 150 millions de degrés qui apporte une immense énergie à des atomes d’hydrogène afin de les faire fusionner.

L’autre technique s’appelle fusion par confinement inertiel qui consiste à utiliser des lasers extrêmement puissants afin de bombarder une bille de combustible de quelques millimètres de diamètre. Le résultat est la fusion des noyaux atomiques contenus dans la bille. C’est au final, répliquer ce qui se passe dans une bombe H.

Techniquement, on sait comment faire de la fusion nucléaire, et on l’a déjà fait. Le problème c’est qu’on dépense plus d’énergie pour créer la réaction que ce que l’on en a gagné, ce qui n’est pas vraiment le but d’une centrale. Mais comme je l’ai dit un peu plus tôt, de nombreuses expériences sont en cours. Fin 2018, la Chine a maintenu du plasma pendant 10 secondes à 100 millions de degrés, ce qui constitue une performance remarquable. Et dans le sud de la France, la plus grosse centrale à fusion expérimentale est en cours de construction au sein du projet ITER. Si tout se passe bien, elle sera mise en route en 2025, mais ce ne sera pas dans le but de produire de l’électricité civile. Il s’agit avant tout d’une expérience de faisabilité. Il faudra bien des décennies d’essai avant d’atteindre un stade où nous maîtrisons suffisamment la fusion pour construire des centrales civiles. La décennie 2030 pourrait être le début de l’ère de la fusion nucléaire viable, mais il y aura vraisemblablement des inconnus qui pourraient ralentir la recherche. Un date plus prudente est donc 2050. En tous cas, en ce qui concerne le projet ITER. Mais un autre facteur pourrait rapprocher cette date. Il s’agit de l’arrivée du secteur privé dans la danse. Le secteur aérospatial était historiquement aux mains des agences gouvernementales. Mais en une décennie, des entreprises privées comme Space X et Blue Origin ont accéléré les innovations dans le domaine. On peut être confiant que la même chose pourrait se passer avec la fusion nucléaire. L’entreprise TAE technologies développe un réacteur appelé Copernicus qu’ils annoncent capable d’être énergie positif en 2023. Peut-être la première centrale à fusion commercialement viable.

Il suffit de regarder comment les entreprises du secteur de l’énergie sont devenues immensément riches pour comprendre la motivation d’être parmi les premiers a généré commercialement de l’électricité issue de la fusion nucléaire. Pas étonnant donc de voir des dizaines de startups émerger avec ce but en ligne de mire. Et même Lokheed Martin, première entreprise de defense et securité évalué à 44 milliards de dollars.

En prenant tout cela en compte, on peut raisonnablement prévoir cette source d’énergie distribuer massivement d’ici 50 ans. Ou pour etre prudent, d’ici la fin du siècle. Dès lors le monde va changer drastiquement. Déjà au niveau environnemental, ce sera l’abandon progressif des énergies fossiles polluantes et donc un soulagement pour la planète. Ensuite le coût de l’électricité va devenir ridiculement bas, ce qui va booster les pays en voie de développement et augmenter le niveau de vie de tout le monde. Tout ce qui nécessite de l’électricité va devenir moins cher. Ce qui inclut dessalement de l’eau de mer donc distribution d’eau potable partout dans le monde. Généralisation des véhicules électriques. Production alimentaire. Chauffage, traitement des déchets, recyclage, industrie lourde, tout ce qui constitue le fonctionnement d’une ville sera bouleversé positivement et l’ampleur des projets d’infrastructures va atteindre des échelles jamais vues auparavant.

L’énergie est la clé qui se cache derrière toutes les activités humaines. Si nous pouvons en avoir plus, pas chère et propre, alors l’humanité pourrait très bien se diriger vers la maturité technologique, vers une civilisation de type 1, entreprendre des projets vus dans les plus grandes œuvres de science-fiction et se répandre dans le système solaire.

Je pense que la fusion nucléaire est l’énergie qui fait le plus de sens pour une civilisation avancée et on peut même s’amuser à imaginer des civilisations extraterrestres qui tournent à la fusion nucléaire également.

Le but de cette vidéo n’est pas de faire passer la fusion pour une solution miracle, même si ça y ressemble. Non, une solution miracle ça pourrait être l’énergie du vide quantique. Là effectivement on pourrait se dire que c’est un peu n’importe quoi ce que je raconte. Mais on sait que la fusion nucléaire est possible, faisable et je parie qu’on la verra arriver plus tôt qu’on ne l’imagine. En tous cas, une chose est sur, on en a vraiment besoin pour franchir un cap dans notre progression vers la maturité technologique.