Premier projet de fusion nucléaire commercial annoncé

Fusion, la source d’énergie ultime

La recherche d’une énergie fiable, abordable et peu carbonée attire une attention croissante sur les technologies nucléaires.

Cela comprend la fission, qui scinde des noyaux lourds. Les combustibles usuels reposent notamment sur l’uranium ou le plutonium ; le thorium peut intervenir dans d’autres cycles de combustible. Cette technologie fait un retour spectaculaire dans un contexte de réduction du charbon et du gaz, de besoin de production pilotable et d’électrification des transports, du chauffage et de l’industrie.

Cette technologie pose cependant des difficultés, même pour les centrales nucléaires de 4ᵉ génération les plus avancées. Elle exige notamment la gestion de matières radioactives et de déchets. Une faible empreinte carbone ne signifie pas une absence totale d’impact environnemental.

Les scientifiques étudient donc aussi la fusion nucléaire : des noyaux légers s’assemblent et libèrent de l’énergie. C’est le principe qui alimente le Soleil, même si les réactions envisagées sur Terre et leurs conditions diffèrent.

Source: Nature

La fusion deutérium-tritium produit de l’hélium et des neutrons. Le deutérium est abondant, mais le tritium est rare et radioactif ; les concepts de centrales prévoient d’en produire à partir de lithium. La fusion n’entretient pas une réaction en chaîne comme la fission, mais elle n’est pas exempte de risques : tritium, activation des matériaux par les neutrons et systèmes industriels doivent être maîtrisés. Son potentiel énergétique est considérable, sans constituer une énergie littéralement infinie.

La difficulté est de créer et de maintenir les conditions nécessaires tout en obtenant une installation fiable et économiquement viable. À la fin de 2024, aucune centrale de fusion ne vendait d’électricité au réseau.

Commonwealth Fusion Systems (CFS) estime pouvoir franchir cette étape en moins d’une décennie. L’entreprise a annoncé en décembre 2024 son projet de première centrale commerciale en Virginie. Il s’agit d’un objectif de développement, non d’une centrale déjà construite.

Projet de réacteur CFS

CFS vise environ 400 MW d’électricité pour le réseau de Virginie avec ARC, soit, selon l’entreprise, l’équivalent de la consommation de quelque 150 000 foyers.

L’annonce est ambitieuse dans un domaine où les délais ont souvent reculé. Le calendrier ITER révisé en 2024 prévoyait notamment le début des expériences deutérium-tritium en 2039. Cette date ne désigne ni la fin de toute construction ni le démarrage d’une centrale électrique : ITER est une installation expérimentale.

CFS prévoit de louer à Dominion Energy un terrain pour ARC (D ) et vise une production d’électricité au début des années 2030. Ce calendrier dépend encore de nombreux résultats techniques et autorisations.

« Pour répondre aux besoins croissants de nos clients en électricité fiable et sans émissions de carbone à la production, il est utile de disposer d’un éventail aussi diversifié que possible de solutions. Dans cet esprit, nous sommes ravis d’aider CFS dans ses efforts. »

Edward H. Baine — président de Dominion Energy Virginia

Commonwealth Fusion Systems

Technologie CFS

Pour évaluer le projet, il faut examiner le parcours de CFS. Issue du MIT en 2018, l’entreprise avait levé plus de 2 milliards de dollars à l’époque de l’article, notamment auprès du groupe italien Eni. Elle développe un tokamak : un dispositif qui confine un plasma dans une chambre de forme toroïdale, comparable à un anneau.

Source: DOE

(Vous pouvez en savoir plus sur la fusion nucléaire et les différents designs de réacteurs dans “Fusion nucléaire : une solution d’énergie propre à l’horizon” et sur la supraconductivité dans “Les progrès de la supraconductivité ouvrent la voie à une nouvelle révolution technologique »).

CFS utilise des aimants supraconducteurs à haute température critique développés avec le MIT. Ils servent à confiner le plasma deutérium-tritium. « Haute température » reste ici une notion relative : ces aimants nécessitent un refroidissement cryogénique.

Dans le concept ARC, une couverture liquide doit récupérer l’énergie sous forme de chaleur et la transférer à un système de conversion électrique. Le deutérium peut être extrait de l’eau, notamment de l’eau de mer. La couverture contenant du lithium doit produire du tritium sous l’effet des neutrons ; atteindre une production suffisante et récupérer ce combustible restent des exigences techniques majeures.

En 2021, elle a développé un aimant HTS de 20 tesla. C’était une avancée importante pour un aimant de fusion supraconducteur à haute température critique de cette taille. Cela ne signifie pas que son champ était 100 à 1 000 fois supérieur à celui des aimants précédents.

L’entreprise a également testé une bobine modèle de solénoïde central, appelée Central Solenoid Model Coil (CSMC). En 2024, elle a aussi présenté sa technologie de câble supraconducteur à haute température critique et à forte densité de courant destinée à ces aimants.

Comme dans d’autres concepts de fusion, la masse de combustible nécessaire serait faible par rapport à celle des combustibles fossiles.

CFS présente l’approvisionnement en combustible de trente années d’exploitation d’ARC comme pouvant tenir dans un seul camion. Cette comparaison illustre la densité énergétique visée ; elle ne garantit ni l’absence de variations de prix ni une indépendance totale à l’égard des chaînes d’approvisionnement, notamment pour le tritium et les composants.

Série à venir de réacteurs

Ces aimants doivent être employés dans SPARC, un démonstrateur visant un gain de fusion supérieur à un : l’énergie produite par les réactions dépasserait celle injectée pour chauffer le plasma. Ce gain ne tient pas compte de toute la consommation du site et n’équivaut pas à une production nette d’électricité pour le réseau.

À la fin de 2024, SPARC était en construction sur le campus de CFS dans le Massachusetts et n’avait pas encore produit son premier plasma.

Source: CFS

Si le démonstrateur SPARC atteint ses objectifs, ARC en Virginie doit constituer l’étape suivante.

Source: CFS

SPARC doit valider les performances physiques du concept ; ARC doit également démontrer une production d’électricité et une viabilité économique. CFS décrit un bâtiment de centrale d’une taille comparable à une grande surface, sans que cela supprime les autres besoins du site.

Source: CFS

À plus long terme, CFS souhaite produire des centrales ARC en série pour réduire les coûts de fabrication et répartir les dépenses de recherche et développement.

Soutiens sérieux

Outre ses relations avec Dominion et Eni, CFS a conclu un accord de collaboration de cinq ans avec l’Autorité britannique de l’énergie atomique en 2022. Une collaboration ne constitue pas une garantie de succès commercial.

Les recherches de CFS ont également bénéficié de financements de programmes du département américain de l’Énergie, notamment ARPA-E et Fusion Energy Sciences (FES).

Des chercheurs du MIT participent étroitement aux travaux :

« Alors que le TFMC devait démontrer un champ intense et stable, le CSMC devait démontrer la rapidité.

Des centaines de personnes ont contribué à cette bobine, depuis sa conception jusqu’à son programme d’essais long et complexe. L’ingéniosité, la persévérance et l’engagement de cette équipe soudée étaient aussi impressionnants que la bobine issue de leurs efforts. »

Ted Golfinopoulos — chercheur principal au MIT dans le domaine de la fusion.

Évaluation de CFS

CFS a réalisé des avancées importantes dans la technologie des aimants. Le confinement magnétique, principe central du tokamak, est étudié depuis des décennies ; ces aimants pourraient permettre des dispositifs plus compacts, mais ne résolvent pas à eux seuls tous les problèmes de la fusion.

Les progrès de ces aimants pourraient aussi trouver des applications en dehors de la fusion.

Il reste trop tôt pour considérer les objectifs et le calendrier de CFS comme acquis. De nombreux prototypes prometteurs ont rencontré des difficultés de stabilité, de performance ou de durabilité.

La puissance des aimants ne suffit donc pas à démontrer qu’une centrale produira de l’électricité de façon fiable et rentable.

La couverture productrice de tritium pourrait, par exemple, présenter des performances ou une durée de vie insuffisantes même si le plasma fonctionne comme prévu. Extraire la chaleur et produire de l’électricité tout en protégeant les composants pendant des décennies reste également un défi.

L’annonce de CFS et Dominion témoigne néanmoins des progrès du secteur. Associée à l’intelligence artificielle pour développer des matériaux ou stabiliser les plasmas en temps réel, cette recherche pourrait ouvrir de nouvelles possibilités énergétiques. Une énergie abondante et compétitive favoriserait notamment le dessalement, l’exploration spatiale ou l’agriculture en intérieur. Un horizon d’une à deux décennies demeure toutefois spéculatif, et les coûts ne sont pas garantis.

Entreprises de fusion

À la fin de 2024, les entreprises spécialisées citées ici n’étaient pas cotées en Bourse. Il s’agissait notamment de Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy et NEO Fusion.

Une liste détaillée de jeunes entreprises de la fusion figure sur la page spécialisée de Dealroom.

Parmi les groupes cotés exposés indirectement à la fusion figure Lockheed Martin (LMT ). Ses anciens travaux sur la production d’énergie et ses investissements dans la propulsion constituent toutefois des projets distincts.

Le groupe coté Lockheed Martin Corporation, acteur majeur de la défense, représente ainsi une exposition indirecte plutôt qu’un investissement dans une entreprise exclusivement consacrée à la fusion.

Depuis le début des années 2010, Lockheed travaillait sur Compact Fusion, un concept de réacteur dont l’entreprise avait envisagé la réalisation dans les années 2020. L’arrêt du projet en 2021 a ensuite été rapporté.

Après les premières annonces, le groupe a peu communiqué sur les résultats techniques. L’article ne dispose pas d’éléments permettant d’établir précisément les raisons de cet arrêt.

Lockheed Martin Ventures a par ailleurs investi en 2024 dans Helicity Space, qui développe une propulsion spatiale fondée sur la fusion. Cela ne prouve pas une reprise du même concept de centrale.

Helicity cherche à produire des impulsions de plasma pour la propulsion spatiale. Certains concepts de fusion emploient également des injecteurs de plasma, mais cela ne suffit pas à rendre leurs architectures identiques. Aucun résultat présenté ici ne permet d’attribuer l’arrêt de Compact Fusion à une incapacité particulière à maintenir le plasma.

La propulsion pulsée répond à des exigences différentes de celles d’une centrale électrique et correspond aux activités aérospatiales du groupe. Son passage à un produit opérationnel reste cependant à démontrer.

Vous pouvez en savoir plus sur Lockheed Martin et ses activités de défense dans notre analyse de novembre 2024.