Énergie
Fusion nucléaire – La solution d’énergie propre ultime à l’horizon
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La puissance des étoiles
Le nucléaire suscite des opinions contrastées. Les accidents de Tchernobyl et de Fukushima ont nourri les inquiétudes concernant sa sûreté.
Ses défenseurs soulignent ses faibles émissions sur le cycle de vie, sa forte densité énergétique et sa production électrique régulière.
Le nucléaire devrait faire partie de notre futur bouquet énergétique, notamment avec le développement de la quatrième génération de réacteurs. Les objectifs comprennent une meilleure sûreté et une utilisation plus efficace du combustible, avec des caractéristiques propres à chaque conception.
Ces réacteurs reposent sur la fission nucléaire. Des noyaux lourds, comme certains isotopes de l’uranium ou du plutonium, se divisent et libèrent de l’énergie. Le thorium peut entrer dans un cycle produisant de l’uranium fissile.
Une autre forme d’énergie nucléaire est la fusion, qui assemble des noyaux légers en noyaux plus lourds.
Les étoiles tirent leur énergie de la fusion. Par exemple, le Soleil transforme environ 600 millions de tonnes d’hydrogène par seconde en hélium. À ce rythme, une masse d’hydrogène équivalente à celle de la Terre correspond à environ 315 000 ans.
L’énergie solaire, le vent et la biomasse proviennent donc indirectement de la fusion solaire. Les combustibles fossiles contiennent également l’énergie stockée par une photosynthèse ancienne.
Maîtriser la fusion sur Terre ouvrirait l’accès à une très vaste ressource énergétique. L’hydrogène représente environ 74 % de la masse de la matière ordinaire de l’Univers, sans inclure matière noire et énergie noire. La disponibilité des isotopes adaptés reste déterminante pour un réacteur.
Fission et fusion
La combustion du gaz ou du pétrole libère de l’énergie chimique. Les réactions nucléaires en fournissent beaucoup plus par unité de masse de combustible.
La fission complète d’un kilogramme d’uranium-235 libère approximativement autant d’énergie que la combustion de 2,7 millions de kilogrammes de charbon. Ce chiffre ne décrit pas le rendement pratique de chaque kilogramme d’uranium dans un réacteur courant. Certains combustibles de fusion présentent une densité énergétique encore supérieure.
Fission et fusion peuvent toutes deux libérer de l’énergie parce que l’énergie de liaison par nucléon varie selon les noyaux.
Lorsqu’un noyau lourd se divise, les produits peuvent être plus fortement liés que le noyau initial. La différence est libérée notamment sous forme d’énergie cinétique et de rayonnement. La chaleur sert ensuite à produire de l’électricité.
Des noyaux légers peuvent de même fusionner en un noyau plus fortement lié et libérer de l’énergie.
Source : Nature
Le rapport entre les densités énergétiques de fusion et de fission dépend des réactions comparées. Certains combustibles de fusion peuvent fournir plusieurs fois plus d’énergie par masse.
L’abondance des éléments légers rend la fusion attractive à long terme. Une vaste ressource ne garantit cependant pas une électricité techniquement et économiquement illimitée.
Les géantes gazeuses et d’autres objets du Système solaire contiennent d’immenses quantités d’hydrogène. Les projets actuels n’exigent pas de l’extraire dans l’espace.
Les ressources terrestres en deutérium sont déjà considérables par rapport à la consommation actuelle. Les réacteurs deutérium-tritium nécessitent aussi un cycle de production et de récupération du tritium.
L’hélium est chimiquement inerte et non toxique. La fusion n’est toutefois pas totalement exempte de déchets radioactifs : les neutrons peuvent activer les structures, et le tritium doit être maîtrisé.
La fusion est difficile
Pourquoi ne produisons-nous donc pas déjà de l’électricité commerciale par fusion ?
Les noyaux positivement chargés se repoussent. Les rapprocher suffisamment exige une combinaison adaptée de température, de densité et de durée de confinement.
La gravitation d’une étoile crée les conditions nécessaires en son cœur. La masse de Jupiter ne suffit pas à entretenir la fusion de l’hydrogène comme dans une étoile.
Sur Terre, il faut d’autres moyens pour chauffer et confiner le combustible.
Des réactions de fusion sont réalisées en laboratoire depuis des décennies. Le défi est d’obtenir davantage d’énergie utilisable que l’ensemble de l’installation n’en consomme.
(Une fusion à grande échelle a été obtenue lors du premier essai de bombe à hydrogène, en 1952. Une explosion ne constitue cependant pas une solution contrôlée de production électrique).
Dans de nombreuses expériences, le plasma dépasse 100 millions de degrés Celsius. Il faut le tenir éloigné des parois et gérer les flux de chaleur.
Ces difficultés expliquent la lenteur des progrès et l’expression ironique : « La fusion est toujours pour dans trente ans ».
Remplacer la gravité
Le rendement doit être évalué en précisant le périmètre : l’énergie reçue par le combustible et la consommation électrique de toute l’installation sont deux mesures différentes.
Plusieurs méthodes ont été proposées.
Différentes expériences ont démontré des réactions de fusion. Une production électrique fiable et rentable reste néanmoins à développer.
Tokamaks
Un tokamak confine un plasma dans un volume annulaire au moyen de champs magnétiques.
C’est l’un des concepts les plus étudiés pour une éventuelle fusion commerciale. Les premiers tokamaks datent des années 1950. ITER repose également sur cette architecture. Ce projet international réunit de nombreux pays technologiquement avancés.
Source : DOE
ITER a connu d’importants retards. Le calendrier révisé en 2024 reporte à 2039 le début de la phase deutérium-tritium. Il s’agit d’un dispositif de recherche qui ne produira pas d’électricité pour le réseau.
Autres réacteurs de fusion à aimants
D’autres concepts magnétiques comprennent les stellarators, les sphéromaks et les tores compacts.
Dans un stellarator, des bobines externes complexes créent un champ torsadé. Cette architecture peut favoriser un fonctionnement prolongé, mais sa conception et sa fabrication sont difficiles. Sa complexité a aussi compliqué la modélisation informatique et accru les coûts de développement.
Les sphéromaks ressemblent aux tokamaks, mais la formation du champ magnétique et la structure du plasma diffèrent.
Les tores compacts peuvent réduire le besoin d’une bobine centrale. Leurs contraintes physiques et techniques varient selon le concept.
Lasers
La fusion par laser chauffe et comprime une petite cible de combustible au moyen d’une impulsion intense. L’inertie du combustible assure son confinement pendant une réaction très brève.
Par exemple, le U.S. National Ignition Facility (NIF) dirige 192 faisceaux laser vers une petite cible. La puissance de crête atteint environ 500 000 milliards de watts pendant une impulsion très courte. Il faut distinguer puissance et énergie.
Source : Britannica
Le confinement inertiel est une autre grande voie de recherche vers une éventuelle fusion commerciale.
Le confinement magnétique exige notamment une maîtrise du plasma et des matériaux adaptés. La fusion laser doit améliorer l’efficacité de l’apport énergétique, l’uniformité de compression et la répétabilité.
Courants électriques et fusion à cible magnétisée
D’autres méthodes utilisent le champ magnétique créé par des courants pour comprimer le plasma, ou reposent sur la fusion à cible magnétisée (MTF).
Une méthode utilisant le courant est le Z-pinch. La fusion à cible magnétisée peut employer une compression mécanique. Ce sont des approches distinctes.
Source : IEEE
Certains de ces dispositifs peuvent être plus compacts que les grands tokamaks ou systèmes laser.
Par exemple, General Fusion (GFUZ ) et Helion développent des concepts pulsés différents.
Étapes vers la fusion commerciale
Bilan énergétique
La fusion reste expérimentale et son calendrier commercial demeure incertain.
Les rendements progressent, mais chaque résultat doit préciser l’énergie d’entrée utilisée dans la comparaison.
En 2022, le NIF a annoncé que l’énergie de fusion dépassait l’énergie laser délivrée à la cible.
L’expérience a fourni 2,05 mégajoules d’énergie laser à la cible et obtenu environ 3,15 mégajoules d’énergie de fusion.
La consommation électrique des lasers était beaucoup plus élevée : l’article cite une estimation d’environ 322 mégajoules. L’expérience ne représentait donc pas une production électrique nette de toute l’installation. La conversion de chaleur en électricité aurait également des pertes.
Le gain énergétique à la cible constituait néanmoins une étape scientifique majeure.
Stabilité du plasma et durée de la réaction
Une centrale doit assurer des réactions contrôlées, répétables ou prolongées et un bilan global suffisant. La durée du plasma, l’énergie de fusion et la production électrique nette sont des critères distincts.
Ainsi, en 2024, le tokamak français WEST a maintenu un plasma chaud pendant 6 minutes et 4 secondes. Ce résultat ne correspondait pas à six minutes de fusion produisant un excédent électrique.
WEST utilise du tungstène dans ses composants refroidis activement face au plasma. L’amélioration des matériaux est essentielle à leur durabilité. Voir notre article « Le tungstène, un métal discret au cœur des hautes technologies ».
Des supraconducteurs moins coûteux
De nombreux concepts magnétiques nécessitent des aimants puissants utilisant des supraconducteurs. Ceux à haute température critique peuvent permettre des champs plus forts et des dispositifs plus petits. Aucun supraconducteur pratique à température ambiante et pression normale n’a été démontré. Voir « Les progrès de la supraconductivité ouvrent de nouvelles possibilités technologiques ».
IA
Le plasma est un état ionisé de la matière. Son comportement dans une installation de fusion peut être très complexe et instable.
Les instabilités peuvent dégrader le confinement et interrompre une expérience.
Les champs magnétiques peuvent être ajustés en temps réel pour contrôler le plasma. La modélisation et la commande demandent d’importants calculs.
L’intelligence artificielle peut aider, comme nous l’expliquons dans un article récent. La recherche présentée prédisait certaines instabilités jusqu’à 300 millisecondes avant leur apparition.
« Nous n’avons plus besoin d’attendre l’apparition des instabilités puis de corriger rapidement la situation avant la perturbation du plasma. »
Sécurité
La fusion n’entretient pas une réaction en chaîne comparable à la fission. Si les conditions nécessaires disparaissent, la réaction s’arrête. Cet avantage de sûreté ne dispense pas de traiter plusieurs risques :
- De nombreux concepts utilisent du tritium radioactif. Les fuites, la récupération et la surveillance du cycle du combustible doivent être maîtrisées.
- Les champs magnétiques intenses, les grandes réserves d’énergie et les charges thermiques exigent une conception et des procédures sûres.
- La fusion deutérium-tritium produit beaucoup de neutrons énergétiques, qui activent et endommagent les matériaux. Les choix de matériaux influencent la quantité de déchets et leur traitement.
Sujets connexes
Propulsion spatiale par fusion
La fusion vise d’abord la production d’énergie terrestre, mais elle pourrait aussi contribuer à de futures missions spatiales.
Sa densité énergétique et son plasma chaud intéressent la recherche sur la propulsion dans l’espace lointain.
Un moteur adapté pourrait théoriquement réduire les temps de trajet et la masse de combustible. La sûreté et les performances dépendraient de sa conception, du blindage et de la gestion thermique.
Créer un réacteur suffisamment compact et léger pour un vaisseau resterait difficile, même après une réussite sur Terre.
Une fusion techniquement et commercialement viable pourrait transformer les perspectives d’une économie spatiale, examinées dans cet article. Elle ne résoudrait pas à elle seule toutes les difficultés des voyages spatiaux.
Fusion froide
La fusion froide désigne l’idée controversée de réactions significatives à basse température, sans plasma chaud.
Certaines propositions emploient de l’hydrogène ou du deutérium dans un réseau métallique, par exemple de palladium, d’erbium ou de titane. Le réseau ne prouve pas à lui seul une production énergétique exploitable.
Stanley Pons et Martin Fleischmann ont annoncé un tel résultat en 1989. Les affirmations centrales n’ont pas été reproduites de façon fiable, suscitant de vives critiques des méthodes et des conclusions.
De petites équipes poursuivent ces recherches sous les noms LENR, CMNS ou CANR. Ces appellations ne valident pas les affirmations énergétiques.
De nouveaux financements sont apparus dans les années 2020. Par exemple, ARPA-E a annoncé en 2023 des subventions pour des équipes étudiant les LENR. Une autre piste est celle des expériences de fusion dans un réseau métallique publiées par la NASA en 2020. Elles utilisaient un faisceau externe de photons énergétiques et ne démontraient pas une centrale à fusion froide autonome.
La fusion froide comme source d’énergie pratique demeure incertaine et spéculative. Des expériences rigoureuses et reproduites indépendamment sont indispensables.
Fusion par bulles
La fusion par bulles, ou sonofusion, suppose que l’effondrement de bulles créées par ultrasons puisse permettre des réactions de fusion.
Cet effondrement peut produire localement des pressions et températures élevées. Il est lié à la sonoluminescence , l’émission d’un éclair lumineux lors de l’effondrement d’une bulle. Cette lumière ne prouve pas une réaction de fusion.
Des travaux continuent d’être publiés, mais leurs résultats nécessitent un examen et une reproduction indépendants.
En mai 2024, l’étude « Observation d’une émission de neutrons lors de la cavitation acoustique de poudre de titane deutérée » a été publiée dans Scientific Reports, une revue de Nature Portfolio distincte de Nature. Les auteurs ont rapporté des observations de neutrons pendant la cavitation.
« Nous avons maintenu la production de neutrons pendant plusieurs heures et répété l’expérience dans diverses conditions. Nous proposons l’hypothèse d’une fusion des ions deutérium dans le réseau de titane sous l’action mécanique des jets de cavitation. »
Il s’agit de l’interprétation des auteurs. Ces observations ne démontrent pas à elles seules un bilan énergétique positif ou une source commerciale. La reproduction indépendante et l’examen d’autres explications restent nécessaires.
Le secteur privé s’engage
La physique des plasmas et la fusion se sont longtemps développées grâce à des recherches financées principalement par le secteur public.
Une partie de ces travaux concerne la physique des armes nucléaires. Le NIF soutient l’évaluation de la sûreté et de la fiabilité de l’arsenal américain sans essais nucléaires, ainsi que la recherche fondamentale sur la fusion et les hautes densités d’énergie.
Quand les recettes commerciales sont lointaines, les financements publics et universitaires jouent un rôle essentiel.
La croissance du financement privé repose notamment sur trois facteurs :
- Des décennies de recherche ont créé des connaissances et formé des spécialistes accessibles aux entreprises.
- Les progrès techniques et l’ampleur du marché potentiel attirent les investisseurs de long terme acceptant un risque élevé. La fusion et l’exploitation des astéroïdes restent des projets commerciaux incertains.
- Le climat, la géopolitique et la sécurité énergétique renforcent la demande de sources d’énergie à faibles émissions.
Les entreprises privées explorent différents réacteurs et méthodes de développement. SpaceX (SPCX ) est parfois citée comme exemple de transformation industrielle, sans garantir une réussite comparable pour la fusion.
Entreprises de fusion
À l’époque de l’article, de nombreuses entreprises visant la fusion commerciale n’étaient pas cotées. Parmi elles figuraient Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy et NEO Fusion. Voir la liste des startups de la fusion établie par Dealroom.
1. General Fusion
General Fusion fait partie des entreprises cherchant à transformer la fusion en source d’énergie commerciale.
Elle a été créée en 2002 pour développer la fusion à cible magnétisée, MTF.
L’entreprise estime que la MTF pourrait offrir une voie plus rapide et moins coûteuse vers une fusion exploitable. Elle indique avoir construit en 2010 un injecteur de plasma à tore compact à l’échelle d’une centrale et franchi depuis plusieurs étapes techniques.
Source : General Fusion
Son plan de 2024 visait un plasma à 100 millions de degrés Celsius en 2025 et des progrès vers l’équilibre énergétique scientifique en 2026. Il s’agissait d’objectifs, pas d’une production électrique nette démontrée. En 2023, un modèle à un cinquième de l’échelle a été testé, avec des résultats que l’entreprise jugeait conformes aux simulations.
General Fusion développe ses technologies par étapes depuis plus de deux décennies. Des essais réussis de composants ne démontrent pas encore le fonctionnement d’une centrale commerciale complète.
Une entreprise privée dispose de circuits de décision différents d’un projet international comme ITER. Elle reste confrontée aux contraintes techniques, financières et réglementaires.
Source : General Fusion
Les investisseurs espèrent donc que ces entreprises compléteront la recherche publique, mais l’issue reste ouverte.
2. Lockheed Martin Corporation
LMT Graphique du prix
Des groupes cotés travaillent également dans ce domaine. Le groupe de défense Lockheed Martin Corporation (LMT ) en est un exemple.
Lockheed Martin développait depuis le début des années 2010 son concept Compact Fusion. Ses calendriers ambitieux ne se sont pas concrétisés, et l’arrêt des travaux en 2021 a été rapporté.
Après une annonce initiale très médiatisée, l’entreprise a peu communiqué. Les informations publiques ne permettent pas d’établir avec certitude tous les résultats techniques ou les raisons de l’arrêt.
Lockheed Martin Ventures a aussi investi dans Helicity, qui développe une propulsion spatiale fondée sur la fusion.
Helicity étudie de courtes impulsions de fusion pour la propulsion. Son concept diffère de celui de General Fusion, même si les deux utilisent des plasmas pulsés.
Les informations publiques sont insuffisantes pour conclure avec certitude sur les anciens résultats internes de Lockheed.
Un moteur spatial a des exigences différentes d’une centrale électrique continue. Des impulsions brèves pourraient convenir à la propulsion, mais un produit commercial fonctionnel reste à démontrer.
3. TAE Technologies
TAE Technologies, auparavant Tri Alpha Energy, est implantée en Californie. À l’époque de l’article, elle développait Copernicus, successeur de sixième génération de Norman.
Source : TAE
TAE utilise des faisceaux de particules neutres pour chauffer et maintenir le plasma. La comparaison avec un épaississant n’est pas littérale.
L’entreprise emploie aussi l’impression 3D pour accélérer les essais de composants. Pour certaines pièces, elle annonçait un poids réduit de moitié par rapport aux méthodes classiques.
Source : TAE
TAE visait une centrale prototype raccordée au réseau au début des années 2030, suivie d’un développement commercial. Ce calendrier était une prévision de l’entreprise. Son dirigeant Michl Binderbauer évoquait une possible ère d’abondance.
L’entreprise décrit un financement lié à des étapes techniques qui soutiennent les levées de fonds suivantes.
En 2022, Google et Chevron (CVX ) ont participé à une levée de fonds d’environ 250 millions de dollars. Google collabore avec TAE sur l’intelligence artificielle et le calcul.
L’entreprise propose aussi des services en sciences de la vie dans la thérapie par capture neutronique du bore (BNCT), ainsi que des solutions énergétiques pour les batteries et la mobilité électrique.
4. Helion
Helion développe la fusion deutérium-hélium-3 plutôt que l’approche plus courante deutérium-tritium.
L’hélium-3 est rare, mais Helion prévoit d’en produire par des réactions de deutérium. Son cycle n’exige pas une exploitation minière sur la Lune.
Helion forme et réunit des impulsions de plasma par voie magnétique. Toutes les entreprises privées n’emploient pas la même méthode.
L’entreprise vise une récupération directe d’électricité grâce aux variations de flux magnétique lorsque le plasma se dilate, sans cycle classique de turbine à vapeur.
Cette approche pourrait réduire certaines pertes de conversion et certains équipements. Son effet global sur le rendement et les coûts reste à démontrer.
Selon Helion, son concept pourrait offrir de faibles coûts de combustible et d’exploitation, une forte disponibilité et un investissement compétitif. Elle met en avant la récupération directe d’énergie et l’absence de grandes turbines à vapeur ou de tours de refroidissement. Ce sont des objectifs, pas les résultats d’une centrale commerciale en service.
À l’époque de l’article, Trenta était le dispositif expérimental de sixième génération d’Helion. Selon l’entreprise, il avait réalisé plus de 10 000 impulsions et atteint 100 millions de degrés Celsius.
Source : Helion
Le modèle suivant était Polaris, destiné à fonctionner avec une fréquence d’impulsions beaucoup plus élevée que Trenta et à démontrer un bilan électrique positif. Cela ne signifiait pas que cet objectif était déjà atteint.
Polaris devait mesurer environ 19 mètres de long, une taille relativement compacte par rapport aux grandes installations de recherche sur la fusion.
