La fusion nucléaire pourrait devenir une puissante source d’énergie « propre » à l’avenir. Voici quelques bases sur ce que l’on surnomme « soleil artificiel ».

Un « soleil artificiel » n’est pas réellement une étoile dans un laboratoire. C’est le terme utilisé pour désigner les réacteurs à fusion nucléaire. Toutefois, ces réacteurs reproduisent très exactement les réactions chimiques et physiques qui ont lieu dans les étoiles et qui expliquent leur brillance.

Comment fonctionne un soleil artificiel ? Quels sont les enjeux de la fusion nucléaire ?

Comment fonctionne la fusion nucléaire ?

Il existe plusieurs techniques de fusion nucléaire, mais elles ont toujours un point commun : il s’agit de la reproduction des mécanismes physiques et chimiques qui ont lieu au cœur des étoiles, c’est-à-dire la transformation de l’hydrogène en hélium (et donc en énergie).

Un réacteur à fusion nucléaire typique est un « tokamak », une chambre à vide en forme de donut (un couloir sphérique). Au sein de cette chambre, un gaz de type deutérium, dont l’isotope naturel est l’hydrogène, est chauffé par confinement magnétique — et il existe d’autres techniques de chauffe, comme le « confinement inertiel » à l’aide de lasers. À partir d’une certaine température, l’hydrogène entre en fusion, le gaz est totalement « ionisé » (ce qui signifie qu’il est dépouillé de ses électrons). C’est cet état de la matière que l’on décrit comme « plasma », un état dense et chaud. L’hydrogène s’est alors transformé en hélium. Mais comment transformer ce plasma d’hélium en énergie utilisable ?

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À gauche, illustration d’ensemble du tokamak en forme de donut. À droite, l’intérieur réel du tokamak. // Source : DeepMind & SPC/EPFL

Au sein de la chambre, les conditions sont très instables. Tout l’enjeu est de stabiliser ces conditions au sein d’un champ magnétique. C’est via les parois du tokamak que l’on peut récupérer l’énergie produite par la fusion. Plus le plasma est chaud, plus l’énergie récupérable est élevée. Plus cet état de la matière est maintenu dans le temps, plus on peut obtenir une source d’énergie constante. Il faut donc tout à la fois atteindre une très haute chaleur, sur le temps long.

C’est ce même processus de transformation de l’hydrogène en hélium qui génère l’énergie des étoiles, et donc leur brillance. Sauf qu’au sein d’un réacteur, la chaleur est… plus élevée qu’au sein de notre Soleil. Le soleil artificiel de la Chine a récemment battu un record à 120 millions de degrés, une chaleur supérieure aux 15 millions de degrés de notre Soleil.

Quelle différence entre fusion nucléaire et fission nucléaire ?

La fission nucléaire est le procédé déjà utilisé dans les centrales nucléaires actuelles, qui fournissent de l’énergie. Dans ce processus, on scinde les noyaux atomiques. La fusion nucléaire consiste, au contraire, à faire fusionner les noyaux pour qu’ils génèrent un plasma, source d’énergie. La fusion nucléaire n’est pas, à ce jour, une source d’énergie viable. Mais de nombreux projets y travaillent.

Contrairement à la fission nucléaire, la fusion nucléaire est censée générer bien moins de « déchets ». Cette voie énergétique pourrait s’avérer globalement moins polluante.

Pourquoi faut-il atteindre le seuil d’ignition ?

En 2021, le soleil artificiel du National Ignition Facility, un laboratoire américain, a libéré 1,3 mégajoule d’énergie pendant 100 trillionièmes de seconde. C’est déjà une prouesse en énergie produite, mais, plus important encore, il a atteint 70 % du seuil d’ignition. Ce seuil peut être défini comme le seuil de rentabilité énergétique, à partir duquel la fusion génère au moins autant (puis davantage) d’énergie que l’énergie introduite initialement.

Pour atteindre l’ignition, il faut que les fusions au sein du plasma contribuent elles-mêmes à chauffer le plasma, maintenant les conditions dans cet état dense et chaud au sein du réacteur.

Quel est le record d’énergie émise par un soleil artificiel ?

On doit pour l’instant le record d’énergie émise au réacteur JET. Le record établi par cette centrale est de 59 mégajoules d’énergie pendant une phase de 5 secondes, soit un peu plus de 11 mégawatts. C’est déjà une belle étape de franchie, mais l’objectif serait d’atteindre… 500 mégawatts. Cette ambition est menée par le projet international ITER, dont le réacteur JET est une sorte de « prologue » scientifique.

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À l’intérieur du réacteur à fusion nucléaire JET. // Source : UKAEA

Qu’est-ce que le projet ITER ?

Le projet ITER (International thermonuclear experimental reactor) est une expérience scientifique internationale qui doit servir à démontrer la faisabilité d’un réacteur à fusion nucléaire utilisable. La structure est actuellement en construction en France, à Saint-Paul-lez-Durance dans les Bouches-du-Rhône. Le réacteur est un tokamak — en forme de donut et basé sur le confinement magnétique de l’hydrogène.

De nombreux pays sont associés au projet : tous ceux de l’Union européenne, mais aussi les États-Unis, la Chine, la Russie, le Japon, la Corée du Sud, la Suisse, le Royaume-Uni. Par le nombre de pays associés, mais aussi le budget (près de 20 milliards d’euros), ou encore l’enjeu (une puissante source d’énergie « propre »), ITER est aujourd’hui considéré comme le plus grand projet scientifique mondial, toutes recherches confondues.

L’entrée en service est prévue pour 2025, mais il n’y aura pas de premiers résultats avant 2035 au moins. L’ambition est d’atteindre une puissance de 500 mégawatts pendant près de 10 minutes, et ce pour une puissance « injectée » initiale de 50 mégawatts. Cela dépasserait le fameux seuil d’ignition, avec une rentabilité de 10 fois la puissance thermique initiale.