Fusion, L’énergie dont on ne veut pas

Une énergie pratiquement illimitée, bon marché et qui ne laisse pas de déchets radioactifs pour les millénaires à venir, c’est possible. Problème : le monde semble ne pas en vouloir. Si l’usage massif du pétrole met indéniablement en danger notre planète, il permet encore à beaucoup de monde de s’enrichir. Beaucoup trop pour que soient prises les décisions d’en sortir.

Cette énergie fabuleuse, ce soleil dans nos centrales, c’est la fusion de l’hydrogène. Elle a déjà été réalisée artificiellement de différentes manières. De nombreuses expériences ont été faites, de grands programmes sont en cours et ont donné des résultats prometteurs. Mais les montants qui sont consacrés à ces recherches sont bien faibles par rapport à l’enjeu pour la planète.

Le programme le plus connu, et aussi le plus coûteux est le Tokamak ITER1 (International Thermonuclear Experimental Reactor) Il réunit des collaborations de 35 pays. Son financement représente quelque 10 milliards d’euros2 sur 40 ans. Une somme conséquente. Les autres projets qui ne sont pas forcément moins prometteurs mettent en jeu des sommes largement inférieures.

Il est fréquents de lire des avis caustiques à propos de ces recherches qui seraient trop coûteuses et d’application pratique trop lointaine.

Pour se faire une idée juste des chances de succès de cette filière qui n’aboutirait à rien de mieux qu’à sauver la planète du désastre carbonique, il faut replacer ce projet dans le cadre d’autres développements.

Par rapport à l’EPR, ces réacteurs de « nouvelle génération » qui restent néanmoins dans la lignée de l’ancienne technologie des réacteurs fissiles à eau pressurisée, qui générerait en principe juste 10 % de moins de déchets à vie longue que les réacteurs de deuxième génération, des déchets problématiques dont on ne sait que faire, le budget qui y a été consacré en quelques années est passé de 3 à 8,5 Milliards d’euros. Tout cela pour cela serait-on tentés de dire.

Par rapport aux recherches menées pour l’extraction pétrolière, on est alors vraiment dans des proportions très importantes. Sur les cinq dernières années, celles-ci se sont élevées à quelque 2 600 milliards de dollars3 ! On croit rêver quand on sait que pour ce qui est de l’énergie de remplacement, Les États-Unis ont abandonné le 22 mai 2008 leur projet national NCSX (National Compact Stellarator Experiment) car celui-ci excédait la limite budgétaire de 50 millions de dollars impartie par le Congrès des États-Unis.

Il y aurait donc entre les fonds que l’on consent pour l’énergie du futur sur un programme long de 40 ans (on n’est donc pas pressés ?) et ceux que l’on engloutit dans l’énergie du passé, des dépenses annuelles dans un rapport de l’ordre de 1 pour 1000 !

Quelque chose ne colle visiblement pas quand l’on compare les programmes de développement de l’énergie de fusion à quelques grandes avancées du siècle passé pour ce qui est de l’enjeu, des délais que l’on se donne et des moyens que l’on y met. Voyons trois exemples pour prendre des repères.

– Voler. C’était le rêve, c’était aussi l’impossibilité largement admise qu’il n’était pas faisable de faire s’élever le « plus lourd que l’air ». Les développements ont commencé avec des moyens artisanaux avant d’être industriels, et il n’a pas fallu quarante ans mais neuf entre le premier saut de puce des frères Wright en 1903, et les avions utilisés dans le ciel à des fins militaires lors de la guerre de 1914-18.

– Avoir l’arme absolue. Les scientifiques partaient de rien. La radio-activité n’a été découverte qu’en 1935 par Frédéric et Irène Joliot-Curie. Il y eut à partir de 1939 urgence pour cause de guerre. Mais il n’aura fallu que trois ans, entre 1942 et 1945, aux Américains, Canadiens et Britanniques pour parvenir à faire exploser les premières bombes atomiques. Les Allemands étaient de leur côté tout près d’aboutir. Le développement de la bombe à hydrogène, qui utilise le principe de fusion aboutira aussi en quelques années.

– Aller sur la lune. Un rêve inatteignable pour tout esprit sensé. Pourtant, le programme Apollo lancé par J.F. Kennedy en 1961 sera couronné de succès en 1969, huit ans après. Il est vrai qu’il avait coûté quelque 150 milliards de dollars4.

Si l’enjeu de ces développements était important pour ce qui est des progrès de la technologie, aucun d’eux n’avait le caractère d’urgence que peut revêtir la sauvegarde de nos conditions d’existence sur cette planète.

Aucun de ces programmes – inédits chacun à leur façon – n’était dénué d’incertitudes quant à ses résultats. Tous ont pourtant été jugés suffisamment crédibles pour recevoir de très gros financements et impliquer de très nombreux acteurs, et tous ont abouti en quelques années malgré d’énormes difficultés théoriques et pratiques à surmonter.

Au moment de lancer le programme français qui aboutira aux expérimentations françaises de la bombe thermonucléaire, le Général de Gaulle a eu ces mots « La proportion des moyens n’a pas de valeur absolue puisqu’un homme et un peuple ne peut mourir qu’une seule fois » signifiant par là que le caractère absolu de l’arme atomique tenait à l’impossibilité de survie de l’ennemi visé.

Dans une perspective inverse, il serait judicieux de dire à propos d’un programme concerté sur la maîtrise de la fusion contrôlée que la proportion des moyens à engager n’a pas de valeur relative puisque rien ne peut surpasser pour les habitants de la planète une question de survie.

Les programmes de recherche sur la fusion ne devraient pas susciter plus de réserves que ceux qui ont été cités, et ceci pour plusieurs raisons.

– Les techniques utilisées ont déjà bénéficié de nombreux développements technologiques dans le domaine de la physique nucléaire, dans l’instrumentation, dans les simulateurs numériques…

– La réalité de la fusion provoquée artificiellement est déjà établie. Et la maîtrise de la fusion à des fins non militaires n’en est pas à sa position de départ. Nombre d’expériences sont toutefois restées au stade où l’énergie nécessaire pour provoquer la réaction reste en deçà de celle qu’il a été possible de récupérer. Le stade de développement est donc à un niveau intermédiaire entre impossibilité et exploitabilité.

– Les moyens consentis à la recherche/développement pourraient sans difficulté être renforcés dans de grandes proportions, surtout si l’on compare avec les montants faramineux engloutis pour les énergies fossiles.

Curieusement, malgré les disproportions de moyens évoquées et les avancées néanmoins obtenues (voir ci-dessous) Les technologies de fusion ont fait l’objet d’un dénigrement systématique. La fusion avait son heure de gloire s’agissant de créer des bombes terrifiantes, mais pour ce qui est de la production d’énergie civile, la mode est bien à la « fusion-bashing ». La plupart des auteur qui tiennent à être pris au sérieux prendront soin de mentionner quelque part dans leurs propos qu’il faudra attendre des décennies avant d’avoir – peut-être- un résultat probant. Cette attitude dont le bien-fondé n’est pas prouvé a quelque chose de convenu, de mimétique, au point que les scientifique qui ont conscience de leur potentiel finissent par se montrer discrets vis à vis de leurs pairs, un peu comme s’ils étaient contraints à la modestie, ce qui rejaillit forcément sur les parts de crédits auxquelles ils osent prétendre5, en particulier s’ils proposent des expériences moins dispendieuses que celles, comme ITER, auxquelles on croit un peu plus parce qu’elles ont le label de grands organismes, coûtent franchement plus cher et annoncent des délais plus raisonnables, moins inquiétants pour ceux qui actuellement tirent leurs richesses des ressources d’aujourd’hui.

L’énergie dont le monde a besoin ne doit plus s’adosser aux ressources fossiles ni au nucléaire fissile. Il doit faire appel à toutes les ressources propres. Mais compte tenu des gigantesques quantités d’énergie requises, il ne pourra se passer de moyens de production de grande capacité, et pour cela, la fusion est la solution incontournable.

On peut alors s’interroger sur les raisons d’une réticence qui n’a pas lieu d’être. Est-on capables d’imaginer ce qui adviendrait si demain le succès d’une technologie de fusion était établi, laissant prévoir à relativement court terme l’émergence de centrales d’un nouveau genre ? Devant la perspective d’un tel tsunami économique et géopolitique, les millions de personnes impliquées dans la production énergétique n’auraient pas le temps de se réfugier dans les hauteurs.

La difficulté d’une mutation de la production n’est donc pas retenue que par des limitations technologiques, mais aussi – et sans doute plus encore – par une incapacité d’anticipation.

Malgré les effets néfastes que l’on connaît sur le climat, sur la santé, sur les tensions entre pays, le pétrole n’a pas dit son dernier mot, le charbon non plus. Le sous-sol enrichit encore bien trop de monde pour que son rôle puisse s’effacer, même dans la perspective d’alternatives disponibles.Tout est bon alors pour repousser la naissance du bébé « nouvelle énergie », alors même que la terre-mère se fatigue.

Pourtant les avancées technologiques suivront inéluctablement leur cours. On n’arrête pas le progrès disait-on tout au long du 20eme siècle. On ne l’arrête toujours pas. Il est grand temps de faire le lit des nouvelles énergies, de préparer cet avenir. Quand le bébé sera là, il ne sera plus temps de tabler sur une longue gestation.

Où en sont les choses

Pour compléter cet article, voici un bref passage en revue des techniques à même de déboucher sur la production d’énergie par fusion.

Les techniques fondées sur le plasma en sustentation

L’idée de départ a un nom : Tokamak. Il s’agit de faire léviter un plasma – état particulier de matière portée à très haute température – dans une enceinte parcourue par un champ magnétique intense – afin de créer les conditions de température suffisante pour qu’à terme, la fusion soit possible. Cette technique se décline en plusieurs projets expérimentaux.

Le plus connu se développe en France sur le site de Cadarache et se nomme ITER. Le projet associe trente-cinq pays : ceux de l’Union européenne ainsi que l’Inde, le Japon, la Chine, la Russie, la Corée du Sud, les États-Unis et la Suisse. Son budget initial est de 10 milliards d’euros sur quarante ans, même si, comme souvent en pareil cas, on puisse s’attendre au double. Après une mise au point suffisante, la version prototype DEMO tournée vers la production sera entreprise. Ce projet se caractérise par un calendrier qui s’étale dans le temps jusque 2035, ce qui a au moins pour conséquence sympathique de préserver l’emploi des chercheurs.

Des étapes importantes ont pourtant été franchies. Parmi les contributeurs du programme ITER, le CCFE britannique (Culham Center Fusion Energy) a construit le JET, qui a réalisé la première libération contrôlée d’énergie de fusion au deutérium-tritium au monde (1991) et le record mondial d’énergie de fusion (16 mégawatts en 1997).

En France, Au CEA une version particulière du Tokamak utilisant des supra-conducteurs pour produire le champ magnétique – d’où son nom Tore Supra – avait permis d’entretenir un plasma pendant plus de six minutes. Sa déclinaison sous forme d’un nouvel équipement WEST qui a produit son premier plasma fin 2016 est une étape importante d’ITER.

Une version différente de Tokamak est le Stellarator. Ne nécessitant pas de courant toroïdal pour maintenir le plasma, il est demande beaucoup moins d’énergie pour l’entretenir. Mais le plasma est hélicoïdal et sa forme pose des problèmes de stabilité. Il est entretenu par des bobines de forme très complexes.

Le Stellarator est essentiellement développé à l’Institut Max Planck en Allemagne. Il a donné lieu à différentes déclinaisons de par le monde : le Wendelstein 7-X en Allemagne, inauguré le 3 février 2016 par Angela Merkel6, l’Helically Symmetric Experiment (HSX) à l’Université du Wisconsin à Madison aux États-Unis et le Large Helical Device à Toki au Japon. Le programme allemand de Stellarator se monte à… 1 milliard d’euros – à comparer avec l’enjeu qu’il représente.

La Chine n’est pas en reste et comme on peut s’y attendre, se dirige avec détermination là où elle veut aller. Sur la base du Tokamak, l’ « Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences » a construit à partir de 2006 le réacteur EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak). L’installation mesure 11 mètres de haut, 8 mètres de diamètre et pèse 400 tonnes. Il s’agit du premier pays au monde à concevoir et à développer lui-même un tel équipement.

Le projet expérimental de fusion nucléaire par confinement magnétique, EAST est parvenu en 2018 à augmenter la température au cœur de son installation, atteignant les 100 millions de degrés et remplissant ainsi une condition indispensable pour réunir les données nécessaires à l’exploitation d’une énergie supposée propre obtenue par fusion nucléaire.

De son côté, au MIT, le LDE (Levitated Dipole Experiment) a surpris en mettant en évidence un plasma turbulent. Dans un dispositif apparenté au Tokamak.

Certaines entreprises privées se lancent avec des budgets comparativement très faibles toutes proportions gardées. Lawrenceville Plasma Physics (USA) construit une version « low cost » de Tokamak, dans des dimensions réduites, et qui tente d’utiliser les propriétés d’un plasmoïde, une structure autoconfinée constituée d’un plasma et d’un champ magnétique qui en assure la cohésion.

Les autres techniques

Le NIF (National Ignition Facility) des USA. Son but est de provoquer la fusion en pointant quelque 200 faisceaux laser sur un point précis. Bien que le procédé n’en soit qu’à ses débuts, il vient de créer des ondes à partir d’un plasma stable.

Le projet HiPER en Europe devrait démarrer des recherches dans cette filière dans un proche avenir.

Une autre technique dite inertielle se fonde sur le « télescopage » des noyaux sans avoir recours au plasma entretenu.

Au Sandia National Laboratory, au Nouveau Mexique, un dispositif d’émission ionique de haute énergie – la Z Machine7 – a été construit dans le but essentiellement de tester la résistance de matériaux soumis à des conditions extrêmes. Étude d’autant plus intéressante indirectement pour le développement de la fusion, que la dégradation des parois soumises à un bombardement intense de neutrons est un problème majeur pour la longévité des équipements destinés à la fusion. Toutefois, les essais qui ont permis d’atteindre des températures jusque là jamais obtenues sur terre8, et largement supérieures aux conditions requises pour atteindre la fusion, ont permis d’observer un gain d’énergie en ce sens que de l’énergie récupérée a été largement supérieure à celle qu’il a fallu injecter pour la provoquer.

À la suite de ces expériences, des perfectionnements débouchent sur la Z-IFE Machine (Z Inertial Fusion Energy) clairement tournée vers la production d’énergie de fusion.

Au Canada, la startup General Fusion travaille sur ce qu’elle appelle « acoustically driven magnetized target fusion », qui fait appel notamment à une onde de choc pour provoquer la fusion sur une cible centrale. Un projet qui ne se monte qu’à quelques millions de dollars à comparer avec d’autres programmes de recherche.

Les développements décisifs en matière de fusion ne se feront peut-être pas tant pour sauver la planète, mais comme bien souvent, en vue d’applications militaires – les moyens de destruction étant jugés sans doute plus urgents – et même pour embarquer un générateur vers Mars9. Or les équipements envisagés jusqu’ici pour les centrales terrestres sont énormes. La société Lockheed Martin a donc décidé d’entreprendre la construction d’un réacteur pas plus grand qu’un container de transport de marchandises, le « Compact Fusion Reactor ».

Le projet a été pensé dès 2010 et annoncé en 2014 en se donnant cinq ans pour parvenir à un prototype. Quatre ans plus tard, la société fait breveter une partie de son réacteur. En son état en cours de développement, il est encore loin de la miniaturisation escomptée. L’ambition de l’équipe de chercheurs qui travaille activement sur ce programme ne lui vaut pas que des amis, on s’en doute, ce qui incite à la circonspection lors de la lecture des avis « scientifiques » à son sujet et rend difficile l’évaluation objective de ses chances d’aboutir.

Les LENR (Low Energy Nuclear Reactions)

Même si les pouvoirs financiers la boudent, la fusion est le Graal des physiciens, qu’ils soient patentés ou amateurs. Bien sûr, cette sorte de ruée vers l’or a inspiré des fantaisistes et des faussaires. Autant dire que dans la poursuite de cette recherche on trouve des choses « diverses » qui vont opportunément donner du grain à moudre aux détracteurs qui restent obsessionnellement attachés aux énergies du moment. Comment aurait-il pu en être autrement. Le côté attractif de ce qui a été convenu d’appeler la « fusion froide » est que nombre d’expérimentations peuvent se contenter d’un équipement abordable, voire tout à fait artisanal.

Bien des annonces ont précipitamment annoncé des résultats stupéfiants en révélant une production d’énergie, même minime, par des moyens relativement simples. Difficile de démêler le vrai du faux, au point que le terme « fusion froide » a été implicitement relié au charlatanisme et rayé du vocabulaire des vrais physiciens qui ont préféré le terme LENR.

Dans le cadre très large des LENR, de très nombreuses expériences ont été faites, et pas que par des illuminés, et la moindre des choses serait que les pistes qui ont été ouvertes soient examinées sans a priori. Les phénomènes en jeu, qu’il s’agisse de la cavitation illustrée notamment par les effets de sonoluminescence, ou bien des réactions particulières sur substrats catalytiques, ou encore des réactions particulières du domaine de la matière condensée, sont encore trop mal connus et ne méritent rien de moins que l’attention des scientifiques rigoureux. Rien de ce qui fait progresser les connaissance ne peut être jugé néfaste ou superflu. Si nombre d’expériences présentent de l’incertitude quant à leurs conclusions, ou sont difficiles à reproduire, cela tient largement aux moyens limités qui ont été mis en œuvre dans leur conduite autant que dans leur réévaluation.

Pour entrevoir l’importance de ce qui peut être attendu de l’observation attentive de quelque curiosité, souvenons-nous que c’est en s’interrogeant sur les tâches bizarres qui apparaissaient sur des émulsions photographiques que la radio-activité fut découverte.

Pour aller plus loin : une présentation du CEA :

http://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/nucleaire/essentiel-sur-la-fusion-nucleaire.aspx

2 Même si des estimations envisagent le double à terme.

3  Source : IFP Énergies nouvelles

4  suivi d’une rallonge de quelque 20 milliards de dollars

5 Ce qui n’empêche pas les militaires de surveiller leurs travaux du coin de l’œil et    éventuellement d’acheter des brevets.

8  3,7 Miliards de Kelvins

9 On sait que trouver de l’eau sur Mars est plus important que d’alimenter des villages  en détresse, alors pourquoi s’étonner que la production d’énergie sur Mars soit envisagée avant l’abandon du charbon chez nous.

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