Le monde tente de maîtriser cette source d’énergie propre illimitée depuis les années 1930. Nous sommes maintenant plus proches que jamais


Les expériences d’énergie de fusion d’ITER auront lieu à l’intérieur de la cuve à vide d’une machine en forme de beignet appelée tokamak.

Saint-Paul-lez-Durance, France — D’une petite colline dans le sud Français région de Provence, vous pouvez voir deux soleils. L’un d’eux flambe depuis quatre milliards et demi d’années et se met en place. L’autre est construit par des milliers d’esprits et de mains humains, et se lève – beaucoup plus lentement . Le dernier des rayons du soir du vrai soleil jette une lueur magique sur l’autre – un énorme chantier de construction qui pourrait résoudre la plus grande crise existentielle de l’histoire de l’humanité.

C’est ici, dans la petite commune de Saint-Paul-lez-Durance, que 35 pays se sont réunis pour tenter de maîtriser la fusion nucléaire, un processus qui se produit naturellement dans le soleil – et toutes les étoiles – mais qui est douloureusement difficile à reproduire sur Terre.

La fusion promet une forme d’énergie pratiquement illimitée qui, contrairement aux combustibles fossiles, n’émet aucun gaz à effet de serre et, contrairement à l’énergie de fission nucléaire utilisée aujourd’hui, ne produit aucun déchet radioactif à longue durée de vie.

Le maîtriser pourrait littéralement sauver l’humanité du changement climatique, une crise que nous avons nous-mêmes créée.

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Travailleurs inspectant les supraconducteurs chez ITER.

Si elle est maîtrisée, l’énergie de fusion alimentera sans aucun doute une grande partie du monde. Seulement 1 gramme de carburant comme intrant peut créer l’équivalent de huit tonnes de pétrole dans l’énergie de fusion. C’est un rendement étonnant de 8 millions pour 1.

Les experts atomiques aiment rarement estimer quand l’énergie de fusion peut être largement disponible, plaisantant souvent en disant que, peu importe quand vous demandez, c’est toujours dans 30 ans.

Mais pour la première fois dans l’histoire, c’est peut-être vrai.

En février, des scientifiques du village anglais de Culham, près d’Oxford, ont annoncé une percée majeure : ils ont généré et maintenu un record de 59 mégajoules d’énergie de fusion pendant cinq secondes dans une machine géante en forme de beignet appelée tokamak.

Il suffisait d’alimenter une maison pendant une journée, et plus d’énergie est entrée dans le processus qu’il n’en est sorti. Pourtant, c’était un moment vraiment historique. Cela a prouvé que la fusion nucléaire était en effet possible de se maintenir sur Terre.

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Une vue du haut de la chambre du tokamak. Le tokamak pèsera à terme 23 000 tonnes, soit le poids combiné de trois tours Eiffel.

C’était une excellente nouvelle pour le projet en France, le réacteur thermonucléaire expérimental international, mieux connu sous le nom d’ITER. Son objectif principal est de prouver que la fusion peut être utilisée commercialement. S’il le peut, le monde n’aura aucune utilité pour les combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz, les principaux moteurs de la crise climatique d’origine humaine.

Il y a eu un énorme élan chez ITER depuis le succès au Royaume-Uni, mais les personnes travaillant sur le projet subissent également un changement majeur. Leur directeur général, Bernard Bigot (prononcé bi-GOH en Français), est décédé des suites d’une maladie le 14 mai après avoir dirigé ITER pendant sept ans.

Avant sa mort, Bigot partageait son optimisme contagieux pour l’énergie de fusion depuis son bureau ensoleillé, qui surplombait la coquille du tokamak d’ITER, une structure de science-fiction encore en construction.

« L’énergie, c’est la vie », a déclaré Bigot. « Biologiquement, socialement, économiquement. »

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Les travailleurs transportent les tuyaux d’échappement loin de la salle de montage. Ces tuyaux sont utilisés pour expulser les gaz d’échappement des camions qui livrent les gros composants à l’installation propre.

Lorsque la Terre était peuplée de moins d’un milliard de personnes, il y avait suffisamment de sources renouvelables pour répondre à la demande, a déclaré Bigot.

« Plus maintenant. Pas depuis la révolution industrielle et l’explosion démographique qui a suivi. Nous avons donc adopté les combustibles fossiles et causé beaucoup de dommages à notre environnement. Et nous voici maintenant, forts de 8 milliards et au milieu d’une crise climatique drastique », a-t-il déclaré.

« Il n’y a pas d’autre alternative que de nous sevrer de notre principale source d’énergie actuelle », a-t-il déclaré. « Et la meilleure option semble être celle que l’univers utilise depuis des milliards d’années. »

Imiter le soleil

L’énergie de fusion est créée en forçant ensemble deux particules qui, par nature, repoussent. Après l’injection d’une petite quantité de carburant dans le tokamak, des aimants géants sont activés pour créer un plasma, le quatrième état de la matière, qui est un peu comme un gaz ou une soupe chargée électriquement.

En élevant les températures à l’intérieur du tokamak à des niveaux insondablement élevés, les particules du carburant sont forcées de fusionner en une seule. Le processus crée de l’hélium et des neutrons – qui sont plus légers en masse que les pièces dont ils étaient faits à l’origine.

La masse manquante se convertit en une énorme quantité d’énergie. Les neutrons, qui sont capables d’escape le plasma, puis frapper une « couverture » tapissant les parois du tokamak, et leur énergie cinétique se transfère sous forme de chaleur. Cette chaleur peut être utilisée pour réchauffer l’eau, créer de la vapeur et faire tourner les turbines pour générer de l’énergie.

Tout cela nécessite que le tokamak contienne une chaleur importante. Le plasma doit atteindre au moins 150 millions de degrés Celsius, soit 10 fois plus chaud que le noyau du soleil. Cela soulève la question: comment quelque chose sur Terre peut-il supporter des températures aussi élevées?

C’est l’un des nombreux obstacles que des générations de chercheurs d’énergie de fusion ont réussi à surmonter. Les scientifiques et les ingénieurs ont conçu des aimants géants pour créer un fort champ magnétique afin de maintenir la chaleur en bouteille. Tout le reste fondrait tout simplement.

Ce que ceux qui travaillent sur la fusion ont essayé de faire à l’intérieur de leurs machines est essentiellement de reproduire le soleil. Le soleil est une usine de fusion perpétuelle, composée d’une gigantesque boule de plasma brûlante. Il fusionne plusieurs centaines de tonnes d’hydrogène en hélium chaque seconde.

Le plasma est la matière dont 99,9% de l’univers est fait, y compris les étoiles, notre soleil et toute la matière interstellaire. Ici sur Terre, par exemple, il est utilisé dans les téléviseurs et les néons, et nous pouvons le voir dans la foudre et les aurores.

Aussi génial que cela puisse paraître, générer de l’énergie de fusion en soi n’est pas vraiment la partie la plus difficile, ont déclaré plusieurs experts d’ITER. L’humanité a réussi à provoquer une réaction de fusion nucléaire depuis l’invention de la bombe H, après tout. Le principal défi est de le maintenir. Le tokamak au Royaume-Uni – appelé Joint European Torus, ou JET – a conservé l’énergie de fusion pendant cinq secondes, mais c’est tout simplement le plus long que la machine va chercher. Ses aimants étaient en cuivre et ont été construits dans les années 1970. Plus de cinq secondes sous une telle chaleur les feraient fondre.

ITER utilise des aimants plus récents qui peuvent durer beaucoup plus longtemps, et le projet vise à produire un rendement énergétique 10 fois supérieur, générant 500 mégawatts à partir d’un apport de 50 mégawatts.

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Travailleurs assemblant certaines des quatre bobines de champ poloïdal, qui constitueront une partie de la cage de champ magnétique nécessaire pour contenir le plasma. Chacun mesure entre 22 et 24 mètres de diamètre.

Mais l’objectif d’ITER n’est pas d’utiliser l’énergie pour l’énergie, mais de prouver qu’elle peut maintenir l’énergie de fusion beaucoup plus longtemps que JET n’a pu le faire. Le succès ici signifiera que les machines à l’échelle commerciale pourront commencer à générer de la fusion à l’avenir.

Alors que le soleil fusionne les atomes d’hydrogène pour créer de l’hélium, le projet JET a utilisé deux isotopes de l’hydrogène appelés deutérium et tritium, qu’ITER utilisera également. Ces isotopes se comportent presque de la même manière que l’hydrogène, en termes de composition chimique et de réactions.

Le deutérium et le tritium se trouvent dans la nature. Le deutérium est abondant dans l’eau douce et salée – le deutérium de seulement 500 millilitres d’eau, avec un peu de tritium, pourrait alimenter une maison pendant un an. Le tritium est rare, mais il peut être produit synthétiquement. À l’heure actuelle, il n’en existe que 20 kilogrammes dans le monde et la demande ne dépasse pas 400 grammes par an. Mais avec un rendement de 8 millions à 1, seules de petites quantités des deux éléments sont nécessaires pour générer beaucoup d’énergie de fusion.

Le tritium est une substance exceptionnellement chère : un seul gramme vaut actuellement environ 30 000 $. Si la fusion nucléaire décolle, la demande montera en flèche, présentant aux maîtres de la fusion du monde entier un autre défi.

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Travailleurs préformant le soudage de précision sur supraconducteurs pendant la construction.

Un projet de 10 millions de pièces

De loin, ITER ressemble à un projet prêt à l’emploi. De près, il est clair que c’est encore loin.

La construction – sur 39 chantiers – est incroyablement complexe. Le chantier principal est un environnement nettement stérile, où d’énormes composants sont mis en place à l’aide de grues de 750 tonnes. Les travailleurs ont déjà assemblé la coque du tokamak, mais ils attendent toujours certaines pièces, y compris un aimant géant de Russie qui se trouvera au sommet de la machine.

Les dimensions sont époustouflantes. Le tokamak pèsera à terme 23 000 tonnes. C’est le poids combiné de trois tours Eiffel. Il comprendra un million de composants, se différenciant en pas moins de 10 millions de pièces plus petites.

Ce puissant mastodonte sera entouré de certains des plus grands aimants jamais créés. Leur taille stupéfiante – certains d’entre eux ont des diamètres allant jusqu’à 24 mètres – signifie qu’ils sont trop grands pour être transportés et doivent être assemblés sur place dans un hall géant.

Compte tenu du grand nombre de pièces impliquées, il n’y a tout simplement pas de place pour l’erreur.

Même la conception numérique de cette énorme machine repose sur des fichiers informatiques 3D qui occupent plus de deux téraoctets d’espace disque. C’est la même quantité d’espace que vous pourriez économiser plus de 160 millions de documents Word d’une page sur.

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L’un des neuf secteurs de la cuve à vide, qui sera bientôt hissé sur des grues géantes pour l’assemblage.

Fusion nucléaire en temps de guerre

Derrière des centaines de travailleurs qui mettent en place le projet ITER se trouvent environ 4 500 entreprises avec 15 000 employés du monde entier.

Trente-cinq pays collaborent à ITER, qui est géré par sept membres principaux – la Chine, les États-Unis, l’Union européenne, la Russie, l’Inde, le Japon et la Corée du Sud. Cela ressemble un peu au Conseil de sécurité de l’ONU, bien que le regretté Bigot, entre autres, se soit efforcé de garder la géopolitique complètement hors d’ITER.

Mais alors que la Russie cherche à redessiner la carte de l’Europe avec sa guerre en Ukraine, et même à défier l’ordre mondial d’après-guerre, le rôle continu du pays dans ITER suscite des inquiétudes, et tout autant quant à son exclusion potentielle.

La Russie a été exclue d’un certain nombre d’autres projets scientifiques internationaux dans les retombées de sa guerre, mais la Commission européenne a explicitement fait une exception pour ITER dans ses sanctions.

Cela s’explique en partie par le fait que la Russie est inextricablement liée non seulement au projet, mais aussi à l’énergie de fusion historiquement.

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La plate-forme noire dans la partie inférieure du cadre est le complexe de tokamak, un édifice de 400 000 tonnes qui rassemble les bâtiments de tokamak, de diagnostic et de tritium. La structure en béton derrière elle est le bâtiment de diagnostic.

Les pays ont commencé à rechercher l’énergie de fusion dans les années 1930, construisant toutes sortes de machines au fil des décennies. Mais c’est le tokamak, créé en Union soviétique, qui a eu le plus de succès. En 1968, les chercheurs soviétiques ont fait une énorme percée en fusion – ils ont été en mesure d’atteindre les températures élevées requises et de contenir le plasma pendant une période prolongée, ce qui n’avait jamais été fait auparavant.

Le tokamak est devenu la machine à répliquer. Même le mot tokamak – un mot-valise pour « confinement magnétique toroïdal » – vient de la langue russe.

La Russie a également fourni certains des éléments les plus critiques du projet ITER et est l’un de ses principaux bailleurs de fonds. L’aimant pour le dessus du tokamak, par exemple, a été fabriqué à Saint-Pétersbourg et y attend, prêt à être envoyé en France, a déclaré la responsable de la communication d’ITER, Laban Coblentz.

Jusqu’à présent, l’implication de la Russie dans le projet n’a en rien changé, a-t-il déclaré.

« ITER est vraiment un enfant de la guerre froide », a déclaré Coblentz. « C’est une collaboration délibérée de pays idéologiquement non alignés qui partagent simplement un objectif commun pour un avenir meilleur. »

Il a souligné que les sept principaux membres ont traversé de nombreux événements tendus depuis la conception d’ITER en 1985.

« Avant toute chose concernant les dernières circonstances en Russie, cela n’a jusqu’à présent jamais affecté l’esprit de collaboration. Je pense qu’il n’est pas exagéré de dire qu’ITER est un projet de paix », a-t-il déclaré.

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À l’intérieur de la fosse de tokamak, un travailleur mesure la connexion entre un passage cylindrique connu sous le nom de talon d’alimentation et la base de cryostat, ce qui aide à garder le vide du tokamak au frais.

Mais Coblentz a concédé que la guerre en Ukraine était « sans précédent » et qu’il ne pouvait pas prédire ce que cela pourrait signifier pour l’avenir de la Russie dans ITER – ce qui sera une question délicate pour le prochain directeur général. Une partie du travail de Bigot consistait à coordonner les sept membres principaux et leurs points de vue souvent divergents sur le traitement de diverses questions politiques, idéologiques et économiques.

Lorsqu’on lui a demandé, avant l’invasion de l’Ukraine par la Russie, si la gestion de ces différences devenait difficile, Bigot a donné un sourire ironique.

« Maintenant, ce n’est vraiment pas une mince affaire », a-t-il déclaré.

« Mais notre engagement commun reste plus fort que jamais. Je peux dire que, depuis le début de mon implication dans le projet, la politique quotidienne n’a eu pratiquement aucun impact sur nos efforts », a-t-il déclaré.

« Chacun des partenaires semble tout à fait conscient que laisser tomber la balle pourrait facilement signifier la disparition de l’ensemble du projet. Ceci, bien sûr, est une énorme responsabilité. »

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Un escalier sinueux derrière le système de chauffage, de ventilation et de climatisation d’ITER dans son hall de montage de 60 mètres de haut.

La géopolitique a toujours joué un rôle dans ITER. Il a fallu des années pour trouver le bon endroit et plus d’une décennie d’études techniques, de négociations politiques et de mises au point diplomatiques. La ville française de Saint-Paul-lez-Durance a finalement été officialisée en 2005 lors d’une réunion à Moscou, et l’accord de construction a été signé à Paris un an plus tard.

Au fur et à mesure que la diplomatie et la technologie se sont mises au diapason, la construction a commencé. En 2010, les fondations ont été posées et en 2014, les premières machines de construction ont été mises en marche.

Le temps est exécutéing out

L’ampleur et l’ambition du projet ITER peuvent sembler énormes, mais il s’agit, à tout le moins, d’une réponse proportionnelle au gâchis que les humains ont fait de la planète. Depuis 1973, la consommation mondiale d’énergie a plus que doublé. D’ici la fin du siècle, il pourrait même tripler. Soixante-dix pour cent de toutes les émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère sont créées par la consommation d’énergie humaine. Et 80% de toute l’énergie que nous consommons provient de combustibles fossiles.

Aujourd’hui, la Terre se dirige vers des niveaux de réchauffement qui se traduisent par des vagues de chaleur plus fréquentes et mortelles, des sécheresses provoquant la famine, des incendies de forêt, des inondations et une élévation du niveau de la mer. Les impacts de la crise climatique sont de plus en plus difficiles à inverser à mesure que des écosystèmes entiers atteignent des points de basculement et que davantage de vies humaines sont mises en danger.

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Un soudeur se tient derrière un bouclier protecteur au niveau le plus bas de la base du cryostat ITER.

Le monde se démène maintenant pour décarboniser rapidement et accélérer sa transition des combustibles fossiles de la planète aux énergies renouvelables comme l’énergie solaire, éolienne et hydroélectrique. Certains pays misent sur l’énergie de fission nucléaire, qui est faible en carbone mais qui comporte un risque faible, mais non négligeable, de catastrophe, des problèmes de stockage des déchets radioactifs et un coût élevé.

Mais il y a de sérieuses questions quant à savoir si le monde peut faire cette transition verte assez rapidement pour éviter un changement climatique catastrophique.

C’est là que la fusion pourrait être un héros de la 11e heure – si le monde la maîtrise à temps.

Lorsque time a demandé au regretté physicien Stephen Hawking en 2010 quelle découverte scientifique il aimerait voir de son vivant, il a souligné exactement ce processus.

« J’aimerais que la fusion nucléaire devienne une source d’énergie pratique », a-t-il déclaré. « Cela fournirait un approvisionnement inépuisable en énergie, sans pollution ni réchauffement climatique. »

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Une partie de la cuve à vide, un conteneur en acier hermétiquement scellé qui abritera les réactions de fusion et agira comme une première barrière de confinement de sécurité.

Une nouvelle ère

Les experts travaillant sur la fusion nucléaire ont déjà surmonté d’énormes défis, et beaucoup, y compris Bigot, y ont consacré toute leur carrière et ne l’ont jamais vu entrer en pratique.

Maintenant, les entreprises commerciales se préparent à produire et à vendre de l’énergie de fusion, tellement elles sont optimistes que cette énergie du futur pourrait être mise en service d’ici le milieu du siècle.

Mais comme toujours avec la fusion nucléaire, au fur et à mesure qu’un défi est surmonté, un autre semble surgir. Les stocks et le prix limités du tritium en sont un, c’est pourquoi ITER essaie de produire les siens. Sur ce front, les perspectives ne sont pas mauvaises. La couverture à l’intérieur du tokamak sera recouverte de lithium, et à mesure que les neutrons plasmatiques échappés l’atteindront, ils réagiront avec le lithium pour créer plus de combustible tritium.

Le temps et l’argent sont toujours des préoccupations pour les grands projets, mais « grand » ne commence même pas à décrire l’échelle d’ITER, qui est vraiment l’une des collaborations énergétiques internationales les plus importantes et les plus ambitieuses de l’histoire.

Le retard d’une journée coûte environ un million d’euros, a déclaré Bigot.

L’Union européenne prend en charge 45 % des coûts de construction sans cesse croissants du projet. Tous les autres pays participants contribuent un peu plus de 9 % chacun, selon des estimations approximatives. Initialement, l’ensemble de la construction était estimé à environ 6 milliards d’euros (6,4 milliards de dollars). À l’heure actuelle, le total a plus que triplé pour atteindre environ 20 milliards d’euros.

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Partie du cryostat pour tester les bobines de champ poloïdal. Le cryostat aidera à confiner le plasma.

Les prévisions de 2001 prévoyaient le premier lot de plasma produit en 2016, un autre objectif manqué. Certains observateurs avaient considéré le projet comme mort dans l’eau, mais après que Bigot ait pris la barre, le projet a été rationalisé et remis sur les rails. Bigot avait la réputation d’être un micromanager, a déclaré Coblentz, mais c’est exactement ce qui était nécessaire pour mettre de l’ordre dans ce projet compliqué.

« Quand vous êtes arrivé ici, sa voiture était en place à 7 heures du .m, et souvent ici jusqu’à 21 ou 22 heures.m la nuit », a déclaré Coblentz. « Vous avez donc toujours eu l’impression qu’aucun détail n’était trop grand ou trop petit pour qu’il puisse le prendre au sérieux et s’y impliquer. »

Bien que sous sa direction, les attentes et les délais ont également été révisés pour être plus réalistes. Le premier plasma est maintenant attendu en 2025, et les premières expériences de deutérium-tritium devraient avoir lieu en 2035, bien que même celles-ci soient maintenant en cours d’examen – retardées, en partie, par la pandémie et les problèmes persistants de la chaîne d’approvisionnement.

Pourtant, avec l’un des plus grands projets au monde en retard sur ses genoux, Bigot est resté passionné et optimiste quant au potentiel d’ITER jusqu’à son dernier souffle.

« La fusion de l’hydrogène est un million de fois plus efficace que la combustionl’augmentation des combustibles fossiles. Ce que nous essayons de faire ici est en fait, vraiment très semblable à la création d’un petit soleil artificiel sur Terre », a-t-il déclaré. « Cette centrale à fusion sera en service tout le temps. Ce soleil, pour ainsi dire, ne se couchera jamais. »

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Le crépuscule tombe sur le complexe ITER à Saint-Paul-lez-Durance, en France.