Depuis que j'ai découvert le projet ITER lors d'un cours de physique, je n'ai cessé d'être impressionné par son envergure et sa complexité. Reproduire dans un laboratoire géant la réaction de fusion nucléaire qui se produit au cœur du soleil et en extraire l'énergie est une prouesse scientifique.
Produire suffisamment d'énergie pour satisfaire des besoins croissants est un réel défi. Aux difficultés techniques s'ajoutent des contraintes sociales, économiques et environnementales. La fusion nucléaire, plus performante que la fission nucléaire et produisant peu de déchet s'annonce comme la source d'énergie du futur.
Le confinement magnétique de magma s'affirme aujourd'hui comme une clef dans le développement de nouvelles sources d'énergie puisque c'est l'unique moyen pour reproduire sur Terre les conditions de pression et de température présentes au cœur des étoiles qui permettent la fusion nucléaire [7]. Cette réaction libère beaucoup d'énergie et peu de déchet radioactif. Lors de cette réaction, un atome de deutérium et un atome de tritium fusionnent pour libérer un atome d'hélium, un neutron et une grande quantité d'énergie, de l'ordre de 15 MeV [6]. Sur Terre, les réactifs nécessaires sont présents en quantité quasi inépuisable et accessibles (on peut extraire le deutérium de l'eau de mer et produire du tritium à partir du lithium), contrairement aux minerais utilisés dans les centrales thermiques [5]. Selon Gary Johnson, responsable du système tokamak ITER, une baignoire d'eau de mer et une batterie d'ordinateur portable suffiraient pour subvenir aux besoins énergétiques d'un individu moyen pendant trente ans [9]. L'ensemble des réactions de fusion au cœur du soleil sur une durée d'une seconde pourrait théoriquement alimenter notre civilisation pendant des millions d'années en produisant seulement des atomes d'hélium [8]. Il est donc nécessaire de comprendre comment fonctionne le confinement magnétique mais aussi d'essayer de maximiser le temps de confinement pour obtenir une centrale de production d'électricité par fusion contrôlée [7].
Dans le cadre de la fusion nucléaire la matière est à très haute température et forte pression à l'état de magma (gaz ionisé). Aucun matériau ne peut résister aux températures extrêmes (de l'ordre de cent cinquante millions de degré) du plasma [2]. De plus, le contact entre les parois du système contenant le magma et le magma générerait des pertes d'énergie sous forme de chaleur qui nuirait à la réaction de fusion : le système consommerait alors plus d'énergie que ce qu'il produirait [6]. Afin de remédier à ces problèmes, il faut mettre en place un confinement immatériel. On utilise donc les propriétés des champs électromagnétiques pour maintenir le magma dans l'enceinte sans aucun contact direct avec les parois.
Il existe plusieurs systèmes dont le but est de confiner un magma : le stellarator, le spheromak et les tokamaks sphériques ou toriques [6]. La durée de maintien du plasma dans le tokamak varie de quelques millisecondes à quelques minutes seulement [2]. Afin d'obtenir un réacteur commercial électrogène, il faut parvenir à maximiser le temps de confinement dans un tokamak comme le réacteur expérimental ITER qui permettra de valider la sureté et l'efficacité de telles machines [1].
Un tokamak a pour but d'assurer le confinement du magma en limitant le déplacement horizontal et vertical des particules chargées [7]. Les particules chargées constituant le gaz ionisé décrivent des trajectoires hélicoïdales autour des lignes de champ magnétique [3]. Dans un solénoïde infini, une telle particule progresserait en suivant les lignes de champ uniformes et resterait donc confinée. La forme torique permet de fermer les lignes de champ : dans un solénoïde torique la particule décrit une hélice autour des lignes de champ qui forment désormais un cercle [4].
Bien que l'avenir de la fusion nucléaire semble prometteur, il n'en reste pas moins incertain. Sébastien Balibar, physicien français membre de l'académie des sciences, considère qu'investir dans une méthode de fusion encore à l'état expérimental ne permet pas de faire face à l'urgence de la situation environnementale [9] tout en répondant aux besoins croissants de la population mondiale [5]. D'autant plus que le projet le plus avancé (ITER) prévoit de créer les premiers plasmas expérimentaux au plus tôt en 2025 [1]. Malgré le financement des 35 pays membres du projet, la complexité technique et logistique de ce programme [8] ne cesse de retarder la construction et d'augmenter son coût [10]. Reste à savoir si la fusion nucléaire saura gagner la confiance des générations futures [5].
Il s'agit de comprendre les phénomènes et les propriétés physiques des champs magnétiques qui permettent de confiner la matière à l'état de magma afin de déterminer les principales caractéristiques d'un tokamak et de maximiser le temps de confinement.
[1] ITER : ITER, c'est quoi ? : https://www.iter.org/fr/proj/inafewlines
[2] CEA Cadarache : TORE SUPRA :
https://cadarache.cea.fr/cad/Documents/Presentation/Fiche-Tore_Supra_FR%20final.pdf
[3] R. Dumont : Dynamique des particules rapides dans les plasmas de fusion magnétique :
https://www.ipht.fr/Meetings/ForumTheory2008/Dumont.pdf
[4] Thomas PARISOT : Dépendances paramétriques expérimentales du transport des impuretés
métalliques dans le tokamak Tore Supra :
https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_Public/42/008/42008221.pdf?r=1&r=1
[5] Alessandra Benuzzi-Mounaix : La fusion nucléaire : un espoir pour une énergie propre et
inépuisable : BELIN – Pour la science
[6] Wikipedia : Fusion nucléaire : https://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire
[7] Tokamak Energy - A Faster Way to Fusion : What is a tokamak? And is a spherical tokamak
different? :
https://www.youtube.com/watch?v=xu7aY5xCGvc&list=PLtMbur2RQyXREELudU3vHFtoD9mccnv
Oi&index=6
[8] ITER : Assemblage du Tokamak ITER (Fr) :
https://www.youtube.com/watch?v=WBY1rNaYiuo&list=PLtMbur2RQyXREELudU3vHFtoD9mccn
vOi&index=2
[9] ARTE : La fusion nucléaire peut-elle nous sauver ? - FUTUREMAG :
https://www.youtube.com/watch?v=-
UC8eSbQiWU&list=PLtMbur2RQyXREELudU3vHFtoD9mccnvOi&index=3
[10] France Télévision : Cadarache : ITER accumule les retards et les surcoûts : https://france3-
regions.francetvinfo.fr/provence-alpes-cote-d-azur/cadarache-iter-accumule-les-retards-et-les-
surcouts-1087327.html