Par Quentin Barbeau & Quentin Thiébaut, étudiants ESTA Belfort, 06/2020
Mots-clés: #fusion #nucléaire #ITER #TOKAMAK
La fusion : l’énergie issue de la collision atomique
Lorsque deux noyaux d’atomes légers se percutent à haute vitesse, ils peuvent fusionner en un noyau plus gros. Ce nouveau noyau est instable, pour revenir à un état stable il doit libérer de l’énergie via l’éjection d’une particule. C’est cette énergie qui est recherchée dans la fusion1.
La fusion la plus couramment pratiquée est la fusion entre un noyau de Tritium et un noyau de Deutérium pour former un noyau d’Hélium2. Le Tritium (3H) et le Deutérium(2H) sont des atomes possédants tous deux un seul proton dans leur noyau, cependant le premier possède deux neutrons alors que le second n’en possède qu’un.
Source: Wikys (2007)
Leur fusion va aboutir à un noyau d’hélium composé de 2 protons et 3 neutrons. Cette forme n’est pas stable, elle est trop énergétique, pour revenir à une situation d’équilibre un neutron va être éjecté avec une énergie de 14,1 MeV. Ce noyau n’étant toujours pas stable il lui faut émettre 3,5MeV de plus pour atteindre l’équilibre. Soit une énergie totale de 17,6 MeV par fusion3.
Pour que cette réaction soit possible il faut répondre à plusieurs prérequis :
- Les noyaux doivent être déliés de leur nuages électronique
- Les noyaux doivent être suffisamment proches pour se percuter
- Les noyaux doivent se percuter suffisamment violement pour casser l’interaction forte qui assure la cohésion des noyaux4.
Les phénomènes physiques suivant permettent de répondre respectivement à ces différents prérequis :
- Le plasma est un état de la matière dans lequel les noyaux sont séparés de leur nuages électronique
- Un volume suffisamment faible appelé confinement suffit à la rencontre des noyaux
- La température permet le déplacement des noyaux à haute vitesse ce qui permet une collision suffisamment violente5
Comme évoqué précédemment une réaction de fusion génère une énergie de 17,6MeV. Une réaction de fission d’un atome d’Uranium 235 quant à elle crée une énergie de 202,8MeV6.
Cependant la masse nécessaire de carburant pour provoquer une fission est 47 fois plus importante que celle nécessaire pour générer une fusion7.
Rapportons l’énergie à un gramme pour chacune des réactions : 1 gramme d’uranium 235 et 1 gramme d’une substance contenant la même quantité de deutérium et de tritium (1/5 de mole de chacun) en négligeant la masse des électrons :
L’ensemble des réactions de fission dans un gramme d’uranium permet de produire 82 milliards de joules.
Ce qui équivaut environ à l’énergie nécessaire pour fournir 27,8MWh. Cette énergie équivaut à la combustion de 2,4t de pétrole.
L’ensemble des réactions de fission dans un gramme de carburant de deutérium et de tritium permet de produire 339 milliards de joules.
Ce qui équivaut environ à l’énergie nécessaire pour fournir 94,2MWh. Cette énergie équivaut à la combustion de 8,9 t de pétrole
Du point de vu énergétique, la fusion permet une libération d’énergie environ 4 fois supérieure à celle de fission pour une même masse de matière.
Nous n’avons pas trouvé de chiffres sur le rapport à masse égale il s’agit donc d’un calcul personnel.
La fission contrairement à la fusion crée des éléments radioactifs à très longue demi-vie (la chaine de désintégration de l’uranium 235 dure plus de 37 000 ans8). La fusion ne crée que de l’hélium qui n’est pas polluant.
Si les ressources en uranium sont limitées9 ce n’est pas le cas du deutérium et du tritium. On trouve le deutérium dans l’eau et on peut créer le tritium à partir de lithium existant en abondance dans la croûte terrestre1011.
La fusion contrairement à la fission n’est pas une réaction en chaine, il suffit donc de stopper les conditions de réactions pour arrêter le réacteur. Il n’y a pas de risque d’emballement ou de fusion du cœur.
La fusion est en théorie l’une des meilleures sources d’énergie, puisque qu’elle est non polluante abondante, plus sécurisée que la fission, et qu’il s’agit de la source d’énergie la plus puissante que nous connaissions. Cependant sa mise en œuvre est particulièrement complexe.
Comment crée-t-on un « mini soleil » sur terre ?
Le premier dispositif permettant de fusionner des atomes de manière contrôlée et constante (à l’inverse d’une bombe) est le Tokamak. Tokamak est l’anagramme de “TOроидальная KAмера с MAгнитными Kатушками” signifiant “Chambre de confinement avec bobines magnétiques” en russe12.
Source: Nucléaire-info (2006)
Cet appareil permet de répondre à tous les prérequis vus précédemment pour créer la fusion grâce au magnétisme.
Dans un premier temps on remplit une chambre torique de carburant sous forme gazeuse.
Ensuite, on le bombarde d’ondes électromagnétiques (comme un micro-onde). Ce bombardement a deux effets, chauffer le gaz et le faire changer d’état vers le plasma13.
Les ondes magnétiques permettent de faire léviter le plasma au centre de la chambre pour qu’il soit confiné et qu’il ne puisse pas en toucher les parois. En effet, le plasma est chauffé à environ 150 millions de degrés Celsius. Un contact avec l’armature du Tokamak provoquerait sa destruction quasi instantanée.
A noter que si le plasma n’est plus en lévitation cela signifie que les ondes magnétiques ne sont plus suffisamment puissantes. Ce manque de puissance provoque une baisse de température et la fin de réaction de fusion. Le cas de destruction du Tokamak par contact avec les parois est donc théoriquement impossible.
Les trois conditions de la fusion étant respectées, la réaction va avoir lieu. Cette dernière va chauffer les parois de l’appareil. De l’autre cotée de la paroi se trouve de l’eau. Sous l’effet de la chaleur l’eau se met en ébullition. La vapeur d’eau obtenue va faire tourner une turbine qui produit de l’électricité14.
Les limites du Tokamak :
- L’énergie d’activation importante pour le lancement de la fusion
- Les micro-turbulences du plasma
- Refroidissement du système
- La création de carburant couteuse en énergie
Pour produire les champs magnétiques nécessaires à la fusion il faut alimenter électriquement des aimants. Ceux-ci requièrent une puissance totale de 650MW soit 73% de la production d’un réacteur nucléaire à fission (890MW en moyenne pour un réacteur). 500MW servent uniquement à mettre en route la réaction, les 150 restant servent à la contenir et la prolonger.
Le but de la fusion est de produire de l’électricité. Ainsi le système réacteur, chaudière, turbine doit produire plus d’électricité qu’il n’en consomme. Un tel système a un rendement dépassant rarement les 35%15.
On observe en fonction du temps plusieurs seuils à partir desquels chaque élément du système a une production d’énergie excédentaire :
- 4 secondes après le démarrage : le réacteur
- 8 secondes après le démarrage : la chaudière
- 70 secondes après le démarrage : la turbine
Ainsi il faut être capable de maintenir la réaction au moins 70 secondes en théorie pour produire de l’électricité avec cette solution16.
Le plasma étant un fluide, il connait des micro-turbulences. Celles-ci ont pour effet de refroidir le système et empêcher la fusion17. Elles sont chaotiques, il est imprévisible de déterminer quand et où elles vont avoir lieu18.
On peut cependant effectuer des statistiques sur leurs fréquences d’apparition. En particulier sur la probabilité d’apparition d’une turbulence suffisamment importante pour arrêter le système en fonction du temps. Ce genre d’évènement a une probabilité importante d’arriver toutes les 715ms.
Aujourd’hui ces turbulences limitent le temps de fonctionnement à quelques secondes seulement contre les 70s requises19.
Pour répondre à ce phénomène dans la pratique, on intensifie les ondes magnétiques (couteuse en énergie électrique) toutes les 715ms afin de reconfiner le plasma pour diminuer le risque de turbulence.
La solution précédente est énergivore car elle provoque des pics de consommation réguliers. L’énergie à produire pour dépasser le seuil de rentabilité est repoussée. Il est en pratique de 6min 40 contre les 70s théorique soit 6 fois plus 20.
Le projet ITER, rêve ou réalité ?
L’origine de la recherche sur la fusion nucléaire remonte aux années 1920 avec la naissance de la physique stellaire21. L’astronome britannique Arthur Stanley Eddington qui suggéra que l’énergie qui provenait des étoiles était d’origine subatomique.
La toute première réaction de fusion en laboratoire fût réalisée par Rutherford en 1934. Il réussit à faire fusionner quelques noyaux de deutérium mais la quantité de réaction était encore infime pour pouvoir produire de l’énergie.
À partir des années 1940, la communauté scientifique compris que la fusion nucléaire représentait une opportunité considérable pour le futur car c’est une source d’énergie beaucoup plus “propre” que la fission. En effet la quantité de déchets radioactifs produits est considérablement plus faible et se résume au recyclage de la machine utilisé pour produire l’énergie, la période radioactive22 Est très peu élevé, environ quelques dizaines d’années. À l’inverse, la fusion quant à elle produit des déchets qu’il faut stocker et contrôler pendant des milliers d’années voir des millions d’années.
En 1946, le premier brevet de réacteur à fusion fût déposé en Angleterre.
Dans les années 1950, et en pleine guerre froide, l’ensemble des grands acteurs de la guerre froide et principales puissances mondiales tel que les États-Unis, la Russie, l’Angleterre ainsi que la France, l’Allemagne et le Japon s’attachent à développer l’opportunité pour le militaire de la fusion nucléaire dans le plus grand des secrets. Aucun de leurs résultats ne sera alors partagé.
Les années 1960 et 1970 permettent de lever le voile sur tout le secret de la fusion nucléaire et les différentes grandes puissances commencent à collaborer ensemble car il se rendent bien compte de la complexité de ce processus.
En 1985, Mikhail Gorbatchev ainsi que Ronald Reagan se rencontrent à Genève pour la première fois et leurs rapport la ligne “Fusion Research” apparaît et permettent de souligner l’importance de ce type d’énergie à l’avenir.
Deux ans plus tard, le projet ITER naît d’une collaboration entre l’Union Européenne, l’union soviétique, les États-Unis et le Japon.
Rassemblant à présent plus de 35 pays, le projet ITER basé à Cadarache représente aux yeux de tous ceux qui sont passionnés par l’énergie une grande avancé dans le domaine de la fusion nucléaire.
En effet, regroupant des milliers d’ingénieurs et de scientifiques le projet ITER a pour objectif de produire 500 MW excédentaires (contre 16MW pour le record actuel via le tokamak JET).
La fusion de deutérium-tritium est le processus choisis pour le Tokamak d’ITER pour une surface totale de 1km² environ. Il permettra de produire quasiment huit fois plus d’énergie qu’un réacteur de fission habituel.
Un réacteur à fusion nucléaire représente l’avenir car il ne produit peu ou pas de déchets nucléaire (non-radioactif au mieux au bout de 100 ans comparer à plusieurs milliers d’années pour la fission)
La fusion nucléaire produit comme déchets de l’hélium mais ce ne sont pas des déchets de haute activité.
De plus, la sécurité des environnements à proximité est également un point très important pour le développement de la production d’énergie via fusion car il faut savoir que les probabilités d’explosion ou d’accident reste les mêmes que sur une centrale à fission cependant les dégâts lors d’une défaillance sont minimes puisqu’il n’y a pas besoin d’évacuer les zones environnantes. Cela endommagerait seulement l’installation en elle-même.
Concernant la mise en arrêt d’une centrale à fusion, le Tokamak à besoin également d’être traité pendant une durée d’un siècle seulement.
La fusion porte de nombreux avantages comparer à la fission mais elle nous reste pour le moment inaccessible pour différentes raisons :
- La fusion nucléaire repose sur des technologies que nous ne sommes pas encore capable de maîtriser
- Le tritium n’est pas obtenable en grande quantité pour le moment, il faudrait réaliser tout une production de manière industrielle.
- Les coûts de développement sont faramineux avec plus de 20 milliards contre 6 milliards aux prévus initialement.
En outre il est bien de rappeler que le projet ITER n’est qu’un “test” à grande échelle. En effet, le rendement du tokamak n’est que de l’ordre de 10x sa consommation.
L’objectif à travers du projet ITER est de comprendre et manipuler cette nouvelle production à grande échelle afin d’atteindre 40x ou 50x la consommation en termes de rendement.
La fusion représente-t-elle la nouvelle énergie “propre” et “viable” de demain ?
L’objectif des scientifiques du projet ITER est de commencer la production d’énergie via fusion d’ici à 50 ans.
Pendant ce lapse de temps, il nous faudra donc nous adapter à créer des nouvelles chaînes industrielles dans le meilleur des cas.
Malheureusement, beaucoup de scientifique estime qu’attendre 50 ans sera déjà trop tard et aura provoquer des dégâts bien trop important sur notre planète, nous en subissons déjà les conséquences.
La question est donc la suivante, faut-il parier sur le long terme avec l’énergie via la fusion ou bien se réserver à développer les énergies renouvelables tel que le photovoltaïque et l’éolien.
Pour pouvoir répondre à cette question nous devons prendre en considération que nous ne connaissons encore rien à la fusion nucléaire à grande échelle et de ces coûts de productions.
Cependant d’après les chercheurs et scientifiques du projet ITER23 estiment que le coût de production de l’énergie de fusion serait légèrement plus élevé que la fusion au début pour être décroissant au fil du temps et atteindre un prix inférieur à la fission.
Nous pouvons donc comparer maintenant les différents coûts de production des moyens de productions d’énergie les plus communs afin de pouvoir en tirer une conclusion.
L’observation de ces différents chiffres permet de déterminer que l’énergie nucléaire (ici la fission) coûte bien moins chère que les différentes énergies renouvelables.
Nous pouvons ajouter à cela que le contraste entre l’énergie renouvelable hydraulique crée par exemple de fort dégâts environnementaux en aval et en amont du dispositif, l’éolien et le photovoltaïque demande beaucoup de génie civil ainsi que de maintenance des installations dans la durée du temps.
La fusion nucléaire semble donc être un moyen de production viable pour le futur.
Cependant, arriveras-t-on à développer la fusion nucléaire pour une utilisation industrielle à grande échelle, cela reste un rêve pour le moment mais nous pouvons espérer que cela devienne la réalité d’ici à la fin de siècle. Notre monde réalisera alors un grand pas, mais sauront-nous maîtriser cette nouvelle méthode de production d’énergie quasi-infini ?
Références
1 Shultis, J.K. & Faw, R.E. (2002). Fundamentals of nuclear science and engineering. CRC Press. p. 151. ISBN 978-0-8247-0834-4.
2 “Les combustibles” ITER 2020 https://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels
3 Bethe, Hans A. (April 1950). « The Hydrogen Bomb ». Bulletin of the Atomic Scientists. 6 (4): 99–104, 125–. Bibcode:1950BuAtS…6d..99B. doi:10.1080/00963402.1950.11461231
4 P.Stroppa “Fusion nucléaire” CEA 2013 https://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/fusion-nucleaire
5 “Réaliser la fusion en laboratoire” ITER 2020 https://www.iter.org/fr/sci/makingitwork
6 Robert W. Conn 2019 “Nuclear Fusion” Encyclopædia Britannica https://www.britannica.com/science/nuclear-fusion
7 Theodore Gray 2010 ”Atomes” p15 et 211
8 Theodore Gray 2010 ”Atome” p211
9 ”L’Uranium dans le monde“ SFEN https://www.sfen.org/energie-nucleaire/panorama-nucleaire/uranium-monde
10 « Livre blanc du tritium » [archive], sur Autorité de sûreté nucléaire, 2010(consulté le 19 décembre 2011).
11 Jean-Christophe Niel, Directeur général de l’ASN (Autorité de sûreté nucléaire française), Editorial du livre blanc (http) [archive] ou version PDF [archive] (Synthèse des travaux de deux groupes de travail sur le tritiums pour la période mai 2008 → avril 2010), consulté 2011-12-19
12 ”60 ans de progrès” ITER https://www.iter.org/fr/sci/beyonditer
13 P.Stroppa « Fusion magnétique » CEA 2013 http://www-fusion-magnetique.cea.fr/accueil/index.htm
14 ”Tokamak“ 2020 ITER https://www.iter.org/fr/mach/tokamak
15 Energy and Environmental Analysis, « Technology Characterization: Steam Turbines (2008) » [archive] [PDF], Report prepared for U.S. Environmental Protection Agency, sur Report prepared for U.S. Environmental Protection Agency, 2008 https://www.universalis.fr/encyclopedie/turbines-a-vapeur/4-puissance-et-rendement/
16 Pastel 2020 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-01167913v2/document
17 P.Stroppa « Fusion magnétique » CEA 2013 http://www-fusion-magnetique.cea.fr/accueil/index.htm
18 Gérard Belmont “turbulence dans les plasmas spatiaux” (2008) https://www.lpp.polytechnique.fr/IMG/pdf_Images_Belmont.pdf
19 C. Reux, J. Bucalossi, F. Saint-Laurent, C. Gil, P. Moreau et P. Maget, Experimental study of disruption mitigation using massive injection of noble gases on Tore Supra, Nuclear Fusion Volume 50 Numéro 9, 2010, doi:10.1088/0029-5515/50/9/095006 (Résumé [archive]).
20 Daniel Jassby “ITER is a showcase … for the drawbacks of fusion energy”,Bulletin of the atomistic scientists (2018) ITER is a showcase for the drawbacks of fusion energy
21 La physique stellaire est la branche de l’astrophysique qui étudie les étoiles. Elle fait intervenir des connaissances issues de la physique nucléaire, physique atomique, physique moléculaire, thermodynamique, magnétohydrodynamique, physique des plasmas, physique du rayonnement et sismologie. À l’heure actuelle, l’étoile la mieux connue est le Soleil à cause de sa proximité. (2019) Physique stellaire, disponible sur : https://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_stellaire (accès 2 Mai 2020)
22 La période radioactive est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un échantillon se désintègre naturellement.
23 Benuzzi-Mounaix, A. (2008), La fusion nucléaire : un espoir pour une énergie propre et inépuisable, Belin, Bibliothèque Scientifique, Paris, pp.17
24 ITER (2020), ”Les avantages de la fusion”, disponible à : ”https://www.iter.org/fr/sci/fusion
la conscience des étudiants 
Tout d’abord merci pour cette présentation du sujet très complète à laquelle j’ai porté beaucoup d’interêt. Faut-il parier sur les énergies gratuites tel que le solaire, l’hydraulique etc … ou la fusion nucléaire ? Au vue de la situation actuelle, et même si nous savons très peu encore de cette technologie, je miserai sur la fusion nucléaire. En effet, j’ai confiance en l’intelligence humaine et notre évolution ces 30 dernières années montre que nous progressons à très grande vitesse. Avec le temps, je pense que les coûts de production vont diminuer, et que nous allons trouver des sources de tritium en plus grandes quantités.
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Super cet article !
J’ai cependant une question concernant la fabrication de tritium : Celui-ci peut être fait à partir de lithium qui est présent de façon abondante sur terre selon vos propos. Est-ce le même lithium nécessaire pour la fabrication des batteries lithium-ion ? Je suppose que oui. Au vu de la progression des parts de marché des véhicules électriques, ainsi que l’augmentation perpétuelle du nombre d’objets fonctionnant grâce à des batteries, les ressources de Lithium ne serait-elles pas elles aussi limités ? Faut-il privilégier son utilisation pour la création de tritium et la fusion nucléaire, au risque de ne plus avoir assez de lithium pour la production de batteries et le stockage de cette énergie ? Ou alors faut-il attendre de trouver une nouvelle technologie de batterie n’utilisant plus de lithium pour pouvoir le consacrer à la production de tritium ?
Merci pour les réflexions qui découlent de cet article, et qui laissent espérer un futur prometteur pour la fusion nucléaire !
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Bonjour à vous, top cet article !
La façon dont vous présentez la technologie de la fusion nucléaire laisse penser qu’elle a tout pour devenir la source de production d’énergie du futur. Cependant, au vu des mouvements actuels écologiques, et de l’augmentation des pétitions contre les centrales nucléaires, pensez-vous que le développement de cette technologie puisse être freiné par la perception des gens ? Serait-il bien vu d’ouvrir des centrales à fusion alors que plusieurs pays Européen se sont lancés dans une chasse au nucléaire et ferment de plus en plus de centrales ?
De mon côté je pense que cette technologie a un avenir certain, reste-il a convaincre les plus réfractaire…
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Après avoir lu votre article, je me permets une ouverture car je ne pense pas que l’électricité soit l’énergie de l’avenir. Bien que ce soit une énergie extraordinaire, cela fait déjà plusieurs siècles que nous l’avons découvert et elle montre ses limites.
Pensez vous qu’il est possible qu’un jour (pendant ce siècle peut-être), nous allons découvrir une nouvelle énergie plus puissante, plus écologique et plus pérenne ? Ou alors sommes nous déjà quasiment à l’apogée de ce que l’être humain est capable de créer ?
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Bonjour à vous et merci pour cet article de qualité !
Comme vous le dites très bien la production de masse grâce à la fusion nucléaire est encore aujourd’hui un rêve, de plus les coûts liés à son développement sont faramineux malgré cela vous restez très optimiste et je pense également que la fusion fait parti de notre avenir. Cependant grâce à la fusion nous serons certes capable de produire beaucoup plus et de façon plus efficace mais serons nous capable de stocker ce surplus de production? Ou pensez vous que le pilotage de la fusion nous permettra de réguler notre production afin de ne pas surproduire ?
Merci d’avance pour votre réponse
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Bonjour cet article est vraiment bien rédigé et nous amène bien cette alternative aux énergies non-renouvellables. On parle ici d’une énergie semblable à une réaction créé au sein du soleil et c’est impressionnant que l’Homme soit capable de créé une telle chose. Je me demandais les coûts et la place que demande une telle installation ? Pensez-vous que la France peut se lancer dans cette énergie du futur et remplacer notre bonne vielle énergie nucléaire ?
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Merci pour cet article qui nous en apprend beaucoup sur ce magnifique phénomène physique !
La France a choisi de se tourner vers le nucléaire car il s’agissait de l’énergie de l’avenir. De nombreuses campagnes de propagande ont été faite pour rassurer la population et pour affirmer qu’il s’agissait de la meilleure source d’énergie. Pourtant, l’accident de Tchernobyl nous a démontré que nous ne maîtrisions pas totalement cette énergie et celui de Fukushima nous a rappelé la sécurité que nécessitent ces centrales. Comme vous le dite la fission est remise en cause par de nombreuses personnes et états.
Nous manquons encore de connaissances pour ce qui est de la fusion nucléaire surtout s’il faut la contrôler. Même si l’accident dans un Tokamak semble théoriquement impossible, ne pensez-vous pas qu’il reste un risque minime que l’on ne peut envisager ? Les conséquences de cet accident pourraient il être de l’ordre d’une bombe H ?
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