Au-delà des débats qui animent notre quotidien, il est un domaine qui assurera la pérennité de l’humanité: la mise au point d’un réacteur à fusion nucléaire en mesure de répondre à tous nos besoins en énergie… pour toujours. En ce sens, il s’agit « simplement » de construire une « machine » où on reproduit les réactions de fusion nucléaire qui se produisent dans le Soleil. Rien de moins.
Et pourquoi la fusion nucléaire saura-t-elle assurer nos besoins en énergie? Simplement parce que les « matériaux » entrant dans une réaction de fusion nucléaire sont abondants (« illimités ») et que la fusion nucléaire libère 5 fois plus d’énergie que la fission nucléaire, sans aucune production de « déchets » radioactifs.
La fusion nucléaire, c’est quoi?
Dans un environnement à très haute température (similaire à la température présente dans le Soleil, soit > 100 millions de degrés C), on crée un plasma où, les électrons étant séparés des noyaux, on « force » d noyaux de deutérium et de tritium à se fusionner ensemble. Ce processus de fusion génère de l’hélium (particule alpha « α ») ainsi qu’un neutron (très « énergétique ») et dégage une énergie considérable, recueillie pour alimenter une turbine et produire de l’électricité.
Quant au deutérium et au tritium, soient 2 isotopes de l’hydrogène, le deutérium est très abondant alors que le tritium est obtenu principalement par des réactions nucléaires dans des réacteurs conventionnels.
A noter que le neutron (très « énergétique ») reste confiné à l’intérieur de la « machine » tandis que l’hélium (particule « α ») – extraite de la « machine » après la fusion deutérium-tritium – ne présente aucun risque puisque stoppée par une « simple feuille de papier ».
Ce qui fait en sorte que, contrairement à la fission nucléaire où les « rejets » (Uranium 235 et Plutonium 239) demeurent radioactifs pendant des millions d’années, les réacteurs à fusion sont intrinsèquement stables (aucune possibilité d’explosion nucléaire) et les produits issus de la fusion sont « propres » et sans radioactivité.
La recherche sur la fusion nucléaire, un concept qui a émergé dans les années 1950
Il importe de souligner le fait que l’utilisation – malheureuse – de l’arme atomique a été faite à l’encontre d’Hiroshima (bombe à l’uranium) et de Nagasaki (bombe au plutonium) et que, par la suite, les Etats-Unis sont entrés dans un mode d’affrontement avec l’Union Soviétique dans ce qui allait devenir la « guerre froide » et la course à des armes de plus en plus puissantes.
Or ces deux bombes étaient basées sur le concept de fission d’atomes « lourds », fission qui libère des grandes quantités d’énergie avec une puissance de destruction importante:
Par ailleurs, le concept de « fusion nucléaire » a été élaboré au début des années 1950, notamment par le Dr. Lyman Spitzer lequel a entrepris les premiers travaux de recherche sur l’étude des plasmas en mettant au point un « stellarator », le processus de fusion engendrant une production d’énergie cinq fois plus grande que l’énergie dégagée durant le processus de fission nucléaire. A des fins de production d’électricité, une « machine » à fusion nucléaire serait beaucoup plus efficace que les réacteurs à fission en usage aujourd’hui.
Une version améliorée du stellerator est présentée ici, les éléments de couleur jaune représentant le plasma en état de « fusion » alors que les éléments de couleur bleue représentent les aimants destinés à « comprimer » le plasma et le maintenir à l’écart des parois:
Or, même si ces premières ébauches permettaient d’en apprendre davantage sur la physique des plasmas, les mauvais rendements atteints par cette configuration, la difficulté à fabriquer de telles « machines » ainsi que le problème de confinement du plasma ne permettaient nullement la mise au point d’un réacteur ayant une « énergie nette positive », soit qu’il produise davantage d’énergie que l’énergie injectée pour amorcer et alimenter la réaction de fusion dans le noyau.
Il faudra attendre la proposition des savants soviétiques Lev Artsimovitch et Andrei Sakharov proposant une configuration en « beigne » (« tokamak ») pour atteindre des résultats expérimentaux autrement plus probants que les réacteurs basés sur le concept du stellarator:
Les premiers pas en fusion: un cheminement long et pénible
S’inspirant du concept « tokamak » et devant les sommes considérables à investir pour fabriquer de tels réacteurs, malgré la « guerre froide » sévissant entre le monde occidental et l’Union Soviétique, les efforts ont été mis en commun et, à ce jour, plusieurs réacteurs expérimentaux (toujours de plus en plus « puissants » et dispendieux) ont été réalisés alors que, malgré la formidable puissance des réacteurs récents, l’atteinte d’une « énergie nette positive » (Q > 1) n’a jamais été atteinte.
Ainsi, une liste impressionnante de projets ont été mis en chantier depuis les tout premiers réacteurs T1 et T3 développés en Union Soviétique en 1958, dont les plus récents projets JET en opération au Royaume-Uni et TFTR aux Etats-Unis:
Le projet ITER, promesse d’un réacteur avec « énergie nette positive » (Q > 1)
ITER est un formidable projet de recherche en fusion nucléaire financé par 7 partenaires dont l’Europe (45,6 %), la Chine, le Japon, l’Inde, la Corée du Sud, la Russie ainsi que les Etats-Unis se partageant 54,4 % du financement à parts égales, le Canada s’étant retiré de la participation au projet en 2003.
Situé à Cadarache (Sud de la France), sa localisation a fait l’objet de nombreuses tractations alors que des sites situés au Canada, au Japon et en Espagne ont été pris en considération par les partenaires du projet.
De plus, ce projet appelle à des investissements colossaux: prévus à l’origine à 6 milliards d’euros, le budget final a été rehaussé à 16 milliards d’euros, soit 25 milliards de $ CAN.
La flèche de couleur « orange » pointe vers la taille d’un humain à proximité du réacteur
Et l’objectif est de créer un plasma > 100 millions C confiné à l’intérieur du réacteur par des aimants supraconducteurs, le plasma étant créé par des ondes radiofréquences et le réacteur refroidi par des systèmes de refroidissement inédits à ce jour.
Plasma créé à l’intérieur du réacteur (« beigne ») et confiné par des aimants supraconducteurs
Les défis sont colossaux et la mise en service est prévue pour 2025, soit 6 années de plus que les projections initiales du projet.
ITER résussira-t-il à créer un plasma « en fusion » Q > 1 et à le maintenir en opération de façon quasi-continue?
Les objectifs du projet ITER sont simples:
- confirmer le fonctionnement d’un réacteur avec une « énergie nette positive » Q > 1 (les estimations prévoient Q > 10)
- maintenir le plasma en opération durant de longues périodes de temps (plusieurs secondes/minutes)
- identifier/ajuster les paramètres de confinement pour comprimer « efficacement » le plasma
- valider le choix des matériaux entrant dans la fabrication du réacteur (matériaux soumis à des températures élevées et à un faisceau neutronique intense)
- définir les paramètres optimaux pour la fabrication d’un premier réacteur à fusion nucléaire en service continu (« opération commerciale »)
Pour en savoir davantage sur le projet ITER:
L’energie de fusion et le defi du projet ITER – The Conversation – 2016-02-18
ITER – Objectif 2025 – Iter.org – 2016-08
Et le Canada/Québec dans tout cela, qu’en est-il?
Eh bien, force est de constater que le Canada n’est aucunement présent dans le projet ITER, que ce soit à titre de contributeur financier ou d’associé au projet. Il s’est retiré du financement en 2003 après que la proposition pour installer le projet de recherche à Clarington (Ontario) ait été rejetée par le consortium.
Il importe de souligner le fait que, en mettant fin au projet de recherche en fusion nucléaire Tokamak de Varennes en 1998, le gouvernement canadien a sérieusement handicapé tous ses espoirs de voir le projet ITER s’installer sur les terrains mêmes de la centrale Gentilly 2, comme l’ont suggéré d’éminents chercheurs de l’IREQ associés au projet.
Quant à Hydro-Québec, trop heureuse du désistement fédéral dans le financement du projet Tokamak de Varennes, elle a pris soin de démanteler les installations (pour ne plus que le projet soit « ressuscité » par la suite) et réalise depuis lors une économie annuelle de 6 M$…
Ainsi, tant par le comportement du gouvernement fédéral que celui d’Hydro-Québec, le Canada et le Québec ont mis en place les « conditions gagnantes » pour que le projet ITER ne soit jamais localisé au Québec…