ITER : l’avenir de la fusion nucléaire se joue en France avec le tokamak

le 04 mars 2019
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ITER - chantier
© ITER

Situé sur le site de Cadarache à Saint-Paul-lez-Durance dans les Bouches-du-Rhône, ce projet de réacteur de fusion nucléaire ne vous est peut-être pas inconnu ! Et pour cause : ITER est tout bonnement à l'heure actuelle le projet scientifique le plus colossal au monde. Mais en quoi consiste-t-il précisément ? Quels en sont les avantages et les éventuels dangers ? Décryptage et réponses dans notre article.

C'est en pleine campagne, à environ 40 km au nord d'Aix-en-Provence, sur une surface s'étendant sur 42 Ha, que ce réacteur nucléaire un peu particulier est en train d'être érigé depuis déjà près de 10 ans.

Le plus grand programme de recherche scientifique mondial


ITER, acronyme de International Thermonuclear Experimental Reactor est un projet titanesque qui réunit huit membres englobant 35 pays : L'Union européenne et les États-Unis, mais aussi la Russie, la Chine, l'Inde, la Corée du Sud, le Japon, ainsi que la Suisse. Son objectif : « Démontrer la faisabilité de la fusion nucléaire comme mode de production massive d'énergie ».

Entériné le 21 novembre 2006 avec la signature de l'accord final à l'Élysée, la volonté de mettre sur pieds ce projet ne date cependant pas d'hier. L'idée initiale fut en effet proposée à François Mitterrand ainsi qu'à Ronald Reagan en 1985 par Mikhaïl Gorbatchev alors que l'URSS développait déjà des prototypes de Tokamak depuis les années 60. S'en est suivi une longue phase d'étude et de conception qui a notamment été retardée par le retrait des États-Unis en 1998, puis leur retour en 2003, également accompagné par la Chine et la Corée du Sud, puis par l'Inde un peu plus tard.

« Le chantier d'ITER est l'un des plus grands ouvrages de génie civil en cours de construction en Europe »


Le choix du site de Cadarache pour la construction d'ITER fut approuvé en 2005, le pays hôte (la France) est censé supporter 40  % des dépenses. Le budget a quant à lui vu sa dotation doublée puisqu'il est passé de 10 milliards d'euros en 2008 à près de 20 milliards en 2016.

ITER_construction_in_2018
Vu sur le tokamak du projet ITER en construction en avril 2018 © ITER

Lancé en 2010, le chantier d'ITER est depuis l'un des plus grands ouvrages de génie civil actuellement en cours de construction en Europe. Plus de 2 000 ouvriers s'affairent chaque jour sur ce site qui accueillera le plus grand programme de recherche scientifique mondial, mais aussi certainement l'un des plus ambitieux et complexes, celui de reproduire les réactions physiques qui ont couramment lieu au sein du soleil et des étoiles.

Qu'est-ce que la fusion nucléaire ?


La fusion est une réaction nucléaire qui, au même titre que la fission, modifie la composition du noyau, à la différence toutefois qu'il ne s'agit pas d'un noyau lourd qui se brise, mais de plusieurs noyaux légers qui fusionnent afin de créer des atomes plus lourds. À l'état naturel, la fusion est l'un des phénomènes qui se produisent au sein des étoiles et qui les alimentent en énergie. On la désigne alors sous le nom de nucléosynthèse stellaire. Avec les conditions extrêmes qui y règnent (pression, températures), les atomes d'hydrogène qui composent majoritairement les étoiles entrent en collision puis fusionnent pour former des atomes d'hélium. Cette combustion d'hydrogène libère une quantité d'énergie considérable, celle-là même à l'œuvre au cœur même du Soleil et qui éclaire chacune de nos journées depuis la nuit des temps !

ITER-Tokamak-with-plasma
© ITER

Le projet ITER entend parvenir à maîtriser ce processus sur Terre grâce au Tokamak - dont nous parlerons un peu plus en détails ensuite - et ainsi être en mesure de produire massivement de l'énergie.

Les avantages de la fusion nucléaire


Le défi est immense, tout autant que le sont les enjeux de ce projet puisque le processus de fusion nucléaire permettrait de produire de l'énergie en quantité bien plus importante qu'avec un simple réacteur nucléaire, mais surtout de réduire significativement la production de déchets dont le rayonnement radioactif sera bien moins élevé et sur un laps de temps relativement court.

Deutérium et tritium : des combustibles abondants et peu radioactifs


Les atomes pressentis pour produire une réaction de fusion nucléaire au sein du tokamak sont deux isotopes de l'hydrogène : le deutérium et le tritium. Pour rappel, l'isotope d'un élément chimique est un atome qui possède le même numéro atomique et donc les mêmes propriétés chimiques, ou presque, que l'élément initial (même nombre de protons et d'électrons). Ici, c'est le nombre de neutrons, particules composant le noyau, qui varie. Par conséquent, la masse atomique d'un isotope est différente de son élément chimique initial, et ses propriétés physiques ne sont pas identiques - contrairement à ses propriétés chimiques.

L'utilisation de ces atomes présente de nombreux avantages. Tout d'abord, le deutérium n'est pas radioactif et ses ressources sont pour ainsi dire inépuisables. On le retrouve en effet dans l'eau douce mais aussi dans l'eau de mer, il est ainsi possible d'extraire 33 grammes de deutérium dans chaque mètre cube d'eau de mer grâce à une séparation isotopique bien maîtrisée et connue sous le nom de Procédé de Girdler.

Isotopes de l'hydrogène
Les trois isotopes de l'hydrogène

Le tritium est quant à lui bel et bien radioactif, mais sa période radioactive (demi-vie) n'est que de 12 ans. Bien que le tritium soit très rare à l'état naturel, il peut être produit par irradiation du lithium, un métal alcalin présent en grande quantité dans la croûte terrestre. Pour commencer sa phase d'exploitation, ITER utilisera néanmoins un stock de tritium provenant de rejets de réacteurs nucléaires à eau lourde pressurisée comme c'est le cas avec le réacteur canadien CANDU.

« Contrairement à la fission nucléaire, la fusion ne produit aucune émission de CO2 »


Enfin, outre des ressources quasiment inépuisables et la production de déchets radioactifs à faible activité (les matériaux d'ITER pourront être recyclés 100 ans après l'arrêt de l'installation), la fusion nucléaire ne produit aucune émission de CO2. La seule émission sera celle d'hélium, un gaz pratiquement inerte et non toxique.

À titre de comparaison, la fission nucléaire, qui consiste à scinder des atomes de plutonium ou d'uranium, produit des déchets extrêmement dangereux qui peuvent, pour certains, rester radioactifs durant plusieurs milliers, voire millions d'années. Il en va de même pour les résidus de traitement miniers dont l'uranium a été extrait. Ces déchets nécessitent des structures d'enfouissement extrêmement complexes (confinement géologique) et bien que leur gestion soit très rigoureuse, ils restent vus par les citoyens et par de nombreux chercheurs comme une sorte de « cadeau empoisonné » pour les générations futures. La fission nucléaire participe par ailleurs également aux émissions de CO2, notamment pour l'extraction des matières premières. Bien entendu, les émissions de CO2 des centrales nucléaires restent bien en-deçà d'une centrale au gaz ou au charbon ; elles sont comparables à celles des énergies renouvelables.

Les dangers de la fusion nucléaire


Il est légitime de se poser de nombreuses questions concernant la fusion nucléaire et ses éventuels dangers. Les accidents qui ont eu lieu ces dernières années, notamment Fukushima et Tchernobyl, ont laissé une trace indélébile dans l'histoire de l'humanité. Les peurs concernant la fission nucléaire restent donc fondées, même si les installations nucléaires ainsi que les sites d'enfouissement dans le monde sont strictement contrôlés. Seulement, en ce qui concerne la fusion nucléaire et les projets comme celui d'ITER, le danger d'un emballement nucléaire (réaction en chaîne) peut être écarté. Aucun accident du type de Fukushima n'est envisageable avec un réacteur de fusion : le plasma obtenu dans un tokamak étant très difficile à produire, le moindre incident entraîne automatiquement l'arrêt de la réaction.

Solar Flare Erupts
Les protubérances solaires résultent d'une disruption dans le flux de plasma © NASA / SDO

« Les risques sismiques sont souvent mis en avant par les détracteurs du projet »


Néanmoins, un réacteur de fusion nucléaire n'est pas sans danger, les risques sismiques sont d'ailleurs souvent mis en avant par les détracteurs du projet. Les autres arguments souvent évoqués concernent le facteur d'inconnu qui règnent avec le projet Iter qui, ont le rappelle, vise à « prouver la faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire comme nouvelle source d'énergie ». Ainsi, les opposants au projet remettent en cause l'éventuelle instabilité du tokamak qui pourrait résulter de la grande difficulté à y maintenir un plasma à très haute température. Selon eux, le phénomène de « disruption » serait en mesure de provoquer un conséquent préjudice sur l'installation et notamment sur ses parois contenant du béryllium, un métal toxique dont le point de fusion est seulement de 1 280 °C.

Zoom sur le Tokamak


Un peu d'histoire


Inventé dans les années 50 par le père de la bombe H, Andreï Sakharov, et le physicien nucléaire Igor Tamm, le tokamak est une chambre de confinement magnétique de forme toroïdale. Le premier modèle, nommé T1, fut construit à l'institut Kurchatov de Moscou et est entré en service en 1958.

« Le tokamak va être développé un peu partout dans le monde et notamment en France, avec le tokamak de Fontenay-aux-Roses »


Les premiers résultats obtenus avec cette installation vont cependant être ignorés dans le monde scientifique, ce n'est que 10 ans plus tard avec la publication d'une nouvelle série de résultats que les chercheurs de nombreux pays vont commencer à sérieusement s'intéresser à cette fameuse machine. Dans les années 70, le tokamak va être développé un peu partout dans le monde et notamment aux États-Unis, mais aussi en France avec le tokamak de Fontenay-aux-Roses (TFR).

Joint European Torus
Le Joint European Torus (JET) en 1991 © EFDA JET

Depuis, de considérables avancées ont été opérées dans le domaine de la fusion. Entré en service en 1983, le Joint European Torus (JET) de Culham au Royaume-Uni - issu de la collaboration entre 20 pays d'Europe - sera le premier tokamak à parvenir à créer une fusion contrôlée à partir d'un mélange deutérium-tritium en 1991, puis à obtenir le meilleur bilan énergétique en 1997 avec un facteur Q = 0,65. Ce facteur correspond à l'énergie produite par rapport à l'énergie consommée, un facteur inférieur à 1 signifie que l'installation consomme plus d'énergie qu'elle n'en produit. L'objectif assumé par des installations comme JET, ou encore le tokamak japonais JT-60 est d'atteindre au minimum un facteur Q=1, aussi appelé breakeven.

« Le tokamak situé sur le site de Cadarache est le premier à avoir été équipé d'aimants supraconducteurs »


Plus récemment les projets se sont multipliés. L'Académie Chinoise des Sciences est par exemple parvenue à maintenir un plasma d'hydrogène pendant 102 secondes à une température de 50 millions de degrés Celsius. Le tokamak Tore Supra situé sur le site de Cadarache depuis 1988 est le premier à avoir été équipé d'aimants supraconducteurs permettant de créer de puissants champs magnétiques en continu, et il détient depuis 2003 le record de durée de fonctionnement (6 minutes et 30 secondes). Tore Supra, ainsi que West, son successeur depuis 2016, représentent une étape importante dans le développement d'ITER.

Le tokamak ITER


Pour atteindre ce breakeven et même parvenir à produire plus d'énergie qu'un tokamak en consomme pour chauffer le plasma à plusieurs centaines de millions de degrés Celsius, l'idée d'une installation bien plus grande et puissante a vite vu le jour et s'est concrétisée en 1986 avec l'accord des États-Unis, de l'Europe et du Japon à rejoindre le projet ITER. Le principal objectif de ce projet est d'abord de dépasser le seuil de rentabilité, le fameux facteur Q, afin de prouver que la fusion nucléaire peut être utilisée comme une nouvelle source d'énergie. Mais les ambitions de ce projet vont beaucoup plus loin puisque le mastodonte ITER (23 000 tonnes) devrait être en mesure de produire une énergie de fusion de 500 mégawatts (MW) pour seulement 50 MW consommés, pour chauffer le plasma à quelque 150 millions de degrés Celsius, soit un facteur de Q=10.

« Le calendrier d'ITER fixe la date de production expérimentale du premier plasma pour décembre 2025 »


Iter - Tokamak
Vue sur le tokamak et les systèmes intégrés de l'installation ITER © Laboratoire national d'Oak Ridge

Le calendrier d'ITER fixe la date de production expérimentale du premier plasma pour décembre 2025, cette première phase d'exploitation devrait permettre de mener de nombreuses expériences scientifiques. Le début de l'exploitation en deutérium-tritium est quant à elle prévu pour 2035, à cette date ITER devrait alors être en mesure de fonctionner à pleine puissance.

DEMO : le successeur d'ITER


Si les expérimentations avec ITER portent leur fruit, un autre réacteur de fusion nucléaire pourrait prendre sa place d'ici 2040. Il s'agit de DEMO (pour Demonstration Power Plant), un réacteur qui devrait fonctionner en continu et, contrairement à ITER, être relié au réseau électrique. Comme son nom l'indique, ce sera donc un démonstrateur industriel grâce auquel des prototypes moins coûteux pourraient ensuite être assemblés dans un but commercial. DEMO devrait être en mesure de produire au minimum une énergie de fusion de 2 gigawatts pour un facteur Q=25.

Si l'on s'en tient au calendrier ainsi qu'à la réussite du projet ITER, la première démonstration de production d'électricité aurait lieu en 2048. S'en suivrait la mise en œuvre d'un autre projet, nommé PROTO, qui ferait office de prototype de centrale électrique.
Modifié le 04/04/2019 à 10h25
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