​Le principe physique

Le noyau des atomes est composé de neutrons et protons, qui tiennent ensemble grâce à la force la plus intense de la nature : l’interaction forte, responsable de « l’énergie de liaison nucléaire ». Cette énergie peut être libérée de deux façons :

• soit en cassant des noyaux lourds : c'est ainsi que fonctionne une centrale nucléaire actuellement ;
  
  
• soit en fusionnant des noyaux légers : ce qui se passe dans les étoiles

Dans des conditions de température extrême (des millions de degrés Celsius), la matière se présente sous forme de plasma : ni solide, ni liquide, ni gazeuse, la matière est comparable à une « soupe » où noyaux et électrons ne sont plus liés, ils circulent librement. Lorsque deux noyaux « légers » se percutent à grande vitesse, ils peuvent fusionner, créant un noyau plus lourd : c’est la fusion nucléaire. Durant l’opération, une partie de l’énergie de liaison des composants du noyau est libérée sous forme de chaleur ou de lumière.

Dans le cœur des étoiles, ce sont deux noyaux d’hydrogène, composés uniquement d’un proton, qui fusionnent pour donner un noyau plus lourd : l’hélium dont le noyau contient deux protons et un ou plusieurs neutrons. Dans le Soleil, cette transformation se déroule en plusieurs étapes. Sur Terre, pour récupérer de l'énergie, les scientifiques tentent d’utiliser la fusion de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène (noyaux contenant un proton et un ou deux neutrons). Cette réaction donne elle aussi naissance à un noyau d'hélium très chaud, et libère un neutron de grande énergie.

Enjeu :
créer et maintenir
un plasma de fusion sur Terre

Pour imaginer récupérer de l’énergie à partir de la fusion nucléaire, il faut être capable de créer des conditions physiques similaires à celles des étoiles, et atteindre des températures de 150 millions de degrés (dix fois la température interne du Soleil). Ce défi scientifique et technologique posé aux chercheurs représente un important enjeu stratégique : la fusion pourrait devenir une nouvelle ressource d’énergie illimitée, sans risque majeur, et sans déchets hautement radioactifs à stocker.

R&D :
améliorer les technologies
pour réussir à mettre
le Soleil en boîte

De nombreux organismes de recherche, à travers le monde, étudient la fusion. L’expérience d’envergure de cette thématique, le projet Iter, requiert des partenariats internationaux, pour compléter les expérimentations menées à plus petite échelle à travers le monde.

Le but du réacteur est de pouvoir récupérer en continu suffisamment de puissance issue des réactions de fusion pour assurer, d’une part, le fonctionnement du réacteur et, d’autre part, la fourniture en électricité.

Le CEA, au sein d’Euratom, dispose d’un tokamak : Tore Supra, devenu West, situé sur le centre de Cadarache. Tore Supra a fonctionné de 1988 à 2013. Cette machine, dans le contexte européen, avait pour objectif l'étude de plasmas en régime permanents, c'est-à-dire sur plusieurs dizaines -voire centaines- de secondes. Pour cela de nouvelles technologies y ont été déployées :

• l’utilisation de « câbles supraconducteurs », pour créer des aimants qui vont confiner le plasma en continu ;
  
  
• l’utilisation de micro-ondes pour chauffer et générer du courant dans le plasma ;
  
  
• la mise en place d’éléments de première paroi situés immédiatement autours du plasma refroidis et capables de supporter de haut flux de chaleur.

Tore Supra détient le record du monde de durée d’un plasma performant (c’est-à-dire représentant un certain niveau de température et de densité), parfaitement maîtrisé, pendant 6mn30. La machine européenne JET, la plus grande du monde, située à Culham (Angleterre), à laquelle participe les équipes du CEA, détient quant à elle le record mondial de « puissance fusion » (16 MégaWatt pendant 1s, 1 mégawatt correspond à près de vingt mille ampoules allumées en même temps). Tous les résultats innovants fournis par ces machines ont été intégrés dans la construction du tokamak Iter.

De par sa configuration particulière, notamment le refroidissement « actif » des composants, Tore Supra a constitué une base unique d’expérimentation des composants face au plasma. Le projet WEST a consisté à modifier, entre 2013 et 2016, Tore Supra pour en faire une plateforme unique de tests pour ce composant « critique » du tokamak ITER, le divertor tungstène activement refroidi.

De par sa nouvelle configuration magnétique, ses équipements spécifiques et son environnement entièrement métallique, WEST va tester des composants en tungstène, identiques à ceux que l’on installera sur ITER. En effet, si la température et la densité au cœur du plasma de WEST sont plus faibles que dans ITER, les conditions à la périphérie du plasma sont très similaires, avec des flux de chaleur et de particules dans le divertor pouvant atteindre 20 MW / m2 – soit dix fois plus intenses que ce que subit le bouclier d’une navette spatiale à son entrée dans l’atmosphère. WEST permettra également d’explorer les problématiques de physique des plasmas sur des longues durées en environnement tungstène.

Et demain ?

Jusqu’à maintenant, les recherches menées ont permis aux scientifiques de mieux comprendre les plasmas, de les maîtriser et d’en augmenter les performances énergétiques. Ces thématiques regroupent aussi bien l’infiniment petit (compréhension du comportement de la matière qui nous entoure) que l’infiniment grand.

Le Tokamak international Iter, à proximité du centre CEA de Cadarache, est une nouvelle étape qui succède à une longue lignée de machine. Elle est la première installation à réunir toutes les conditions pour obtenir et étudier un plasma en combustion, c’est-à-dire d’un plasma dominé par les réactions de fusion. La suite, avec la conception de futurs réacteurs comme Demo, en intégrant de nouveaux concepts de matériaux de bord et la fourniture de tritium in situ, devrait mener, en délivrant pour la première fois du courant électrique, à la naissance d’une nouvelle filière énergétique : l’énergie nucléaire de fusion.

Les défis technologiques posés par la fusion nucléaire sont énormes : le cryomagnétisme, le contrôle-commande du plasma et de la machine en temps réel ; concevoir des matériaux de paroi capables de supporter des hauts flux de chaleur et la percussion de neutrons ; intégrer à ces matériaux du lithium, pour assurer l’auto-alimentation du réacteur…

Afin de développer une exploitation industrielle de la fusion, les limites, risques ou verrous technologiques à surmonter pour la construction de réacteurs à fusion sont déjà identifiés : la maintenance de l’ensemble, le vieillissement, la tenue des matériaux de structures et la gestion des déchets radioactifs de la première paroi…

De nature différente, toutes ces problématiques sont déjà présentes dans la filière nucléaire actuelle (qui exploite la fission nucléaire), et déjà en cours d’étude pour une exploitation industrielle de la fusion nucléaire. Diversifier nos ressources énergétiques permettra ainsi d’assurer l’approvisionnement énergétique des pays et de trouver des alternatives aux énergies fossiles carbonées (pétrole, gaz, charbon…), qui constituent encore l’essentiel de l’énergie consommée sur Terre.