Alimenter le futur avec les métaux du quotidien

L’énergie de fusion fait la une depuis quelques années, et la communauté scientifique s’agite autour des réacteurs futuristes. Mais dans les coulisses, certains des métaux les plus courants permettent discrètement le passage de la fusion du laboratoire au réseau. Le tungstène, le cuivre et le lithium — des éléments avec lesquels nous interagissons quotidiennement — s’avèrent indispensables dans la quête d’une énergie propre et illimitée.

Le tokamak en tungstène WEST établit un record de fusion de 6 minutes

Dans une étape majeure pour l’énergie de fusion, le dispositif WEST (Environnement en tungstène (W) dans un tokamak en régime stationnaire) en France a établi un nouveau record. WEST a maintenu un plasma de fusion à 50 millions de degrés Celsius pendant six minutes, en injectant 1,15 gigajoules de puissance. Cette performance double la densité du plasma et délivre 15 % d’énergie supplémentaire par rapport au précédent record de WEST.
WEST est exploité par la Commission française de l’énergie alternative et de l’énergie atomique (CEA). Il fait partie du programme Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration (CICLOP) de l’AIEA. Le Département de l’Énergie des États‑Unis Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) entretient un long partenariat avec WEST et CICLOP.

« Nous devons fournir une nouvelle source d’énergie, et cette source doit être continue et permanente. Ce sont de beaux résultats. Nous avons atteint un régime stationnaire malgré un environnement difficile en raison de cette paroi en tungstène. »

– Scientifique du CEA et président du CICLOP Xavier Litaudon

Bases de la fusion

Fusion alimente le soleil et les étoiles. Elle se produit lorsque des éléments légers comme l’hydrogène sont chauffés à des températures extrêmement élevées, formant un plasma. Dans cet état, les particules du plasma entrent en collision et fusionnent, libérant d’énormes quantités d’énergie.

Sur Terre, les dispositifs de fusion appelés tokamaks utilisent de puissants champs magnétiques pour confiner le plasma dans une chambre en forme de beignet. L’objectif est d’obtenir une réaction de fusion auto-entretenue qui génère plus d’énergie que celle injectée, offrant potentiellement une source d’énergie pratiquement illimitée, sûre et sans carbone.

Cependant, maintenir ces réactions suffisamment longtemps pour extraire de l’énergie nette reste un défi majeur. Le plasma doit être chauffé à des températures supérieures à celles du cœur du soleil et rester stable pendant de longues périodes. Contrairement à la plupart des tokamaks, qui utilisent des parois intérieures en carbone retenant trop de combustible pour être viables en réacteur, des matériaux alternatifs sont explorés.

Parois en tungstène du WEST : une avancée pertinente pour les réacteurs

WEST est revêtu de tungstène, un candidat de premier plan pour les futurs réacteurs de fusion. Le tungstène retient beaucoup moins de combustible que le carbone, ce qui est indispensable pour un fonctionnement efficace du réacteur. Cependant, même si le tungstène est détecté dans le plasma, il peut se refroidir rapidement par rayonnement. Luis Delgado-Aparicio du PPPL explique :

« L’environnement à paroi de tungstène est bien plus difficile que l’utilisation du carbone. C’est, tout simplement, la différence entre essayer d’attraper votre chaton à la maison et essayer de caresser le lion le plus sauvage. »

Malgré la difficulté, le tir record de 6 minutes de WEST avec des parois en tungstène représente une avancée majeure. Il est deux fois plus long que le record du prédécesseur à paroi carbone de WEST, le Tore Supra. Démontrer des impulsions longues avec des matériaux pertinents pour les réacteurs est crucial pour les objectifs du CICLOP et les futures centrales électriques.

Diagnostic à rayons X novateur permet une percée

Le tir record a été diagnostiqué en utilisant un système d’imagerie à rayons X innovant développé par le PPPL. La caméra à rayons X doux multi-énergie (ME-SXR), fabriquée par DECTRIS, a été spécialement adaptée par le PPPL pour mesurer les propriétés du plasma avec un détail sans précédent.

« Le groupe de rayons X du département Advanced Projects du PPPL développe tous ces outils innovants pour les tokamaks et les stellarators du monde entier. »

– Delgado-Aparicio, responsable des projets avancés du PPPL

Typiquement, les diagnostics de fusion utilisent un ou deux niveaux d’énergie des rayons X. Le ME-SXR du PPPL prend des mesures simultanées à huit niveaux d’énergie entre 11 et 18 kiloelectronvolts (keV). Cette gamme fournit des données claires sur le cœur du plasma tout en excluant les interférences des ondes de chauffage à radiofréquence.

Le ME-SXR mesure directement les températures électroniques dans le cœur du plasma en comparant les intensités à différentes énergies. Il détermine également la densité des impuretés de tungstène migrantes depuis les parois, ce qui constitue une donnée essentielle pour optimiser le fonctionnement à impulsion longue avec des parois métalliques. Selon le coordinateur du WEST, Remi Dumont :

« Ce système particulier est le premier du genre avec discrimination d’énergie. Il est spectaculaire. Grâce à ces nouvelles mesures, nous aurons la capacité de mesurer le tungstène à l’intérieur du plasma et de comprendre le transport du tungstène de la paroi vers le cœur. »

Les résultats record ouvrent des perspectives pour le développement des réacteurs

L’équipe du PPPL, dirigée par Delgado-Aparicio et le chercheur Tullio Barbui, a constaté que le plasma du WEST atteignait une tension stable de 4 à 4,5 kilovolts (près de 50 millions °C) dans le cœur pendant toute la durée du tir de 6 minutes. Les profils d’impuretés et de température sont restés stables.

Ces résultats ont été corroborés par des simulations avancées des scientifiques du CEA. Selon Litaudon :

« Cette caméra à résolution d’énergie ouvrira une nouvelle voie en termes d’analyse. Grâce à ces diagnostics, nous pouvons comprendre ce problème et aller à la racine de la physique tant pour la mesure que pour la simulation. »

Le PPPL et le WEST visent à améliorer davantage leur contrôle de la température et des impuretés de tungstène afin de permettre des opérations encore plus longues et plus stables. De plus, le PPPL partage sa technologie ME-SXR avec les tokamaks du monde entier pour accélérer la recherche pertinente pour les réacteurs. 

« Le ME-SXR n’est qu’une partie d’une contribution plus globale de diagnostics du PPPL au CEA/WEST. Cette collaboration nous aide beaucoup. Avec cette combinaison de diagnostics, nous serons capables d’effectuer des mesures très précises dans le plasma et de le contrôler en temps réel. »

– Dumont 

Métaux du quotidien alimentant la fusion : tungstène, cuivre, lithium

Alors que le plasma occupe le devant de la scène, l’avenir de la fusion dépend également de ses composants plus tangibles. Trois métaux s’avèrent essentiels : le tungstène, le cuivre et le lithium.

Le tungstène est apprécié pour son point de fusion très élevé de 3422 °C, le plus haut de tous les éléments. Cela lui permet de résister à la chaleur torride des plasmas de fusion. La société chinoise Xiamen Tungsten Co., Ltd., cotée à la Bourse de Shanghai, est l’un des principaux producteurs mondiaux. 

En 2023, malgré une baisse de 18,30 % de son chiffre d’affaires opérationnel à 39,398 milliards de yuans, l’entreprise a enregistré une hausse de 10,75 % de son bénéfice net attribuable aux actionnaires, atteignant 1,602 milliard de yuans. L’expansion des capacités de production et les améliorations d’efficacité de Xiamen Tungsten renforcent sa position de fournisseur clé de tungstène à haute pureté pour les applications de fusion, ce qui en fait une perspective attrayante pour les investisseurs.

Le cuivre est un pilier de l’électronique de fusion grâce à son exceptionnelle conductivité électrique et thermique. Les bobines magnétiques, les barres omnibus et les échangeurs de chaleur dépendent tous du cuivre pour gérer les courants intenses et la chaleur de la fusion. 

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) le plus grand producteur de cuivre coté en bourse, dont le siège se trouve aux États‑Unis, a maintenu une santé financière solide en 2023 avec un chiffre d’affaires de 24,6 milliards de dollars et un bénéfice net de 4,2 milliards de dollars. Les vastes réserves de cuivre de l’entreprise, son engagement en faveur de la durabilité et ses avancées technologiques renforcent ses perspectives de croissance, notamment avec la demande croissante de cuivre provenant des énergies renouvelables et des véhicules électriques.

Lithium, le métal le plus léger, devient un pilier de la fusion grâce à son remarquable potentiel électrochimique. Les couvertures de lithium peuvent produire du combustible à tritium, et les batteries au lithium peuvent stocker efficacement l’énergie de fusion. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), un important producteur de lithium, a déclaré un chiffre d’affaires annuel record de 9,62 milliards de dollars en 2023, soit une hausse de 31 % par rapport à l’année précédente.

Malgré des défis tels que la baisse de la demande de véhicules électriques et la chute des prix du lithium, l’unité de stockage d’énergie d’Albemarle a enregistré une croissance impressionnante de 35 % du volume, principalement grâce à l’expansion de son usine La Negra au Chili. L’accent mis par l’entreprise sur la réduction des coûts, la flexibilité financière et les investissements de croissance la place favorablement sur le marché émergent du lithium, bien que le cours de son action ait connu une baisse significative au cours de l’année écoulée.

À mesure que la fusion progresse, la demande pour ces métaux devrait exploser. Le tungstène, le cuivre et le lithium n’ont peut-être pas l’éclat du plasma, mais ils constituent l’épine dorsale du brillant avenir de la fusion. Les producteurs capables de fournir des matériaux à haute pureté à grande échelle pourraient connaître un important essor avec le début de l’ère de la fusion.

Des partenariats pionniers alimentent le progrès

Cette percée résulte d’une collaboration entre les principaux instituts de fusion. Le PPPL, pionnier des diagnostics de plasma, a développé le ME-SXR grâce à des subventions du DOE pour les jeunes chercheurs et le développement de diagnostics. Le tokamak WEST du CEA, le seul dispositif au monde à paroi de tungstène pour explorer des impulsions de longue durée, constitue un banc d’essai idéal.
DECTRIS, leader mondial des détecteurs à rayons X, a fourni la technologie de base que le PPPL a adaptée dans le nouveau ME-SXR. Selon le responsable des ventes de DECTRIS, Nicolas Pilet :

« La communauté de la fusion plasma a été parmi les premières à tester la technologie de comptage hybride de photons pour surveiller la dynamique du plasma. Nous sommes extrêmement fiers de contribuer à ce développement avec nos produits et sommes ravis de notre excellente collaboration. »

Le record du WEST est également un triomphe pour le CICLOP, le programme de l’AIEA qui coordonne les efforts mondiaux sur les défis des impulsions longues. En combinant expertise et ressources, le CICLOP vise à résoudre systématiquement les problèmes clés qui empêchent les opérations de fusion continues. Litadudon a déclaré :

« Cette étape représente un progrès important vers les objectifs du programme CICLOP. Le travail du PPPL au WEST est un excellent exemple. »

Sur la voie d’une énergie de fusion propre

Le record de 6 minutes du WEST avec des parois en tungstène marque un progrès significatif pour l’énergie de fusion. Il confirme que les tokamaks équipés de matériaux pertinents pour les réacteurs peuvent confiner durablement le plasma à des températures nécessaires à une production de fusion pratique. Des diagnostics novateurs comme le ME-SXR du PPPL permettent aux chercheurs de mesurer et d’optimiser le plasma avec une précision sans précédent.

Il reste encore beaucoup de travail à faire pour développer un réacteur de fusion viable. La durée des impulsions doit passer de minutes à mois tout en augmentant la densité et en maintenant la stabilité. Des matériaux avancés, des aimants et des systèmes d’extraction de chaleur sont essentiels. Cependant, les scientifiques transforment le vaste potentiel de la fusion en réalité, étape par étape.

La fusion a le potentiel de fournir une source d’énergie sûre, sans carbone et pratiquement inépuisable. Cela pourrait aider à atténuer le changement climatique, améliorer la sécurité énergétique, et soutenir la prochaine ère du développement humain. Dans l’ensemble, comme le montrent le WEST et le CICLOP, la collaboration mondiale est la clé pour surmonter les défis de la fusion et offrir ses immenses bénéfices au monde.

Cliquez ici pour tout savoir sur l’investissement dans les métaux précieux.