D'un monde haut en couleurs, à un monde terne
La fusion nucléaire est la tentative de la part de l'Homme de reproduire l'énergie la plus puissante de notre univers: le soleil. Le soleil est une usine de fusion naturelle, constituée d'une gigantesque boule de plasma brûlant qui fusionne plusieurs centaines de tonnes d'hydrogène en hélium à chaque seconde, fournissant ainsi une source constante de chaleur et d'énergie. Le processus de fusion nucléaire créé par l'homme tente de reproduire l'énergie qui alimente le soleil.
La fusion nucléaire se produit lorsque deux ou plusieurs atomes sont fusionnés en un seul plus grand. Ce processus génère une quantité massive d'énergie sous forme de chaleur car les deux particules qui sont forcées de s'unir se repoussent par nature.
La fusion nucléaire offre une forme d'énergie pratiquement illimitée qui, contrairement aux combustibles fossiles, n'émet aucun gaz à effet de serre. En outre, contrairement à l'énergie de fission nucléaire utilisée aujourd'hui, elle ne produit pas de déchets radioactifs dont la durée de vie serait longue. Imaginez un monde fonctionnant avec une énergie propre et sans carbone.
Alors que la fusion permet de réunir deux ou plusieurs atomes, la fission fait l'inverse. La fission nucléaire divise un atome plus gros en deux ou plusieurs atomes plus petits, dont la chaleur est également utilisée pour produire de l'énergie.
Selon le ministère de l'énergie américain, l'énergie nucléaire est une source d'énergie à émission zéro, mais la fission produit des déchets radioactifs qui doivent être stockés en toute sécurité et qui comportent des risques de sécurité, à savoir des fusions nucléaires comme celles des réacteurs de Fukushima et de Tchernobyl.
La fusion nucléaire, en revanche, ne présente pas les mêmes risques de sécurité que la fission, et les matériaux utilisés pour l'alimenter ont une demi-vie beaucoup plus courte, rapporte CNN.
Les éléments sources de la fusion nucléaire sont principalement le deutérium et le tritium, deux isotopes de l'hydrogène. Le deutérium est abondant dans l'eau douce et l'eau salée, et le deutérium de seulement 500 ml d'eau, avec un peu de tritium, pourrait alimenter une maison pendant un an, rapporte CNN. Le tritium, en revanche, est plus rare et plus difficile à obtenir, bien qu'il puisse être fabriqué synthétiquement.
"Contrairement au charbon, vous n'avez besoin que d'une petite quantité d'hydrogène, et c'est la chose la plus abondante que l'on trouve dans l'univers", a déclaré à CNN Julio Friedmann, le scientifique en chef chez Carbon Direct et ancien technologue en chef de l'énergie à Lawrence Livermore. "L'hydrogène se trouve dans l'eau, donc le matériel qui génère cette énergie est illimité et il est propre."
La chaleur produite par la fusion de deux atomes peut ensuite être utilisée pour réchauffer l'eau, créer de la vapeur et faire tourner des turbines pour produire de l'électricité.
Le perfectionnement de la fusion nucléaire pourrait sauver l'humanité de la crise du changement climatique, que nous nous sommes infligée par notre utilisation excessive des combustibles fossiles. L'assainissement de nos sources d'énergie permettrait, nous l'espérons, d'atténuer les inondations mortelles, les sécheresses qui provoquent la famine, les incendies de forêt qui font rage, les vagues de chaleur mortelles et d'autres effets désastreux du changement climatique, qui mettent de plus en plus de vies en danger.
Si nous maîtrisons la fusion nucléaire, il n'y a aucune raison pour qu'elle ne puisse pas alimenter une grande partie du monde. Un seul gramme de combustible peut créer l'équivalent de huit tonnes de pétrole en énergie de fusion, soit un rendement de huit millions pour un !
Le plus grand défi de l'exploitation de l'énergie de fusion est de la maintenir suffisamment longtemps pour qu'elle puisse alimenter les réseaux électriques et les systèmes de chauffage par le biais de centrales électriques. La découverte américaine est importante, mais l'énergie générée est encore bien trop faible par rapport à ce qui est nécessaire pour faire fonctionner ne serait-ce qu'une seule centrale électrique.
"C'est à peu près ce qu'il faut pour faire bouillir 10 bouilloires d'eau", a déclaré à CNN Jeremy Chittenden, codirecteur du Centre d'études sur la fusion inertielle à l'Imperial College de Londres, à propos du gain d'énergie net de cette expérience révolutionnaire. "Pour transformer cela en une centrale électrique, nous devons réaliser un gain d'énergie plus important - nous avons besoin qu'il soit nettement supérieur".
Plusieurs projets de fusion sont en cours aux États-Unis, au Royaume-Uni et en Europe. La France abrite le projet de réacteur thermonucléaire expérimental international, auquel 35 pays collaborent dans le cadre du projet énergétique le plus ambitieux à ce jour. Les principaux membres sont la Chine, les États-Unis, l'Union européenne, la Russie, l'Inde, le Japon et la Corée du Sud.
Au Royaume-Uni et dans le cadre du projet mentionné précédemment en France, les scientifiques de la fusion nucléaire travaillent avec des tokamaks, d'énormes machines en forme de beignet équipées d'aimants géants. Après avoir introduit une petite quantité de combustible dans le tokamak, ses aimants sont activés et la température à l'intérieur est portée à un niveau incroyablement élevé pour créer du plasma, souvent appelé le quatrième état de la matière. Le plasma est une matière si chaude que les électrons sont arrachés aux atomes et forment un gaz ionisé, comme une mixture chargée électriquement, selon le Plasma Science and Fusion Center.
En portant la température à l'intérieur du tokamak à des niveaux insondables (le plasma doit atteindre au moins 150 millions de degrés Celsius), les particules du combustible sont forcées de fusionner. À une température aussi élevée, les neutrons s'échappent du plasma chargé positivement et frappent une "couverture" recouvrant les parois du tokamak, transférant leur énergie cinétique sous forme de chaleur.
Il est difficile de se faire une idée de la quantité de chaleur que le tokamak doit contenir, mais à titre indicatif 150 millions de degrés Celsius, c'est environ 10 fois plus chaud que le noyau du soleil. Alors comment cela peut-il exister sur terre ? Les scientifiques et les ingénieurs spécialisés dans l'énergie de fusion ont déjà surmonté cet obstacle de manière impressionnante en concevant des aimants géants qui créent un champ magnétique puissant permettant d'emprisonner la chaleur. Tout autre matériau fondrait facilement.
En février 2022, des scientifiques britanniques ont annoncé qu'ils avaient généré et maintenu une énergie de fusion record de 59 mégajoules pendant cinq secondes dans un tokamak, la plus forte impulsion d'énergie soutenue jamais réalisée. Bien qu'il s'agisse d'une quantité d'énergie suffisante pour alimenter une maison pendant une journée et qu'il y ait eu plus d'énergie dans le processus qu'il n'en est sorti, cet événement est historique car il prouve qu'il est possible de maintenir la fusion nucléaire sur terre.
En mai 2022, CNN a annoncé qu'un nouveau tokamak pèsera 23 000 tonnes, soit l'équivalent de trois tours Eiffel. Il sera composé d'un million d'éléments qui se subdiviseront en 10 millions de pièces plus petites et comprendra certains des plus grands aimants jamais créés, dont certains auront un diamètre de 24 m.
La recherche de l'énergie de fusion a commencé dans les années 1930, avec diverses machines testées au fil des décennies, mais c'est le tokamak, créé en Union soviétique, qui a été le premier à pouvoir atteindre les hautes températures et la méthode de confinement requises pour le plasma en 1968. Le tokamak est rapidement devenu la machine à reproduire, et même son nom vient de la langue russe (c'est un mot valise pour "confinement magnétique toroïdal").
La gestion des relations politiques, idéologiques et économiques des pays membres a été l'un des plus grands défis du projet de réacteur thermonucléaire expérimental international, notamment en ce qui concerne la Russie, une situation qui n'a fait qu'empirer avec l'invasion de l'Ukraine. La Russie fournit au projet de réacteur thermonucléaire expérimental international de nombreux financements et même l'un des gros aimants du nouveau tokamak. Le responsable de la communication du projet, Laban Coblentz, explique: "le projet de réacteur thermonucléaire expérimental international est vraiment un enfant de la guerre froide. Il s'agit d'une collaboration délibérée entre des pays idéologiquement non alignés qui partagent simplement un objectif commun pour un avenir meilleur."
Aux États-Unis, la plupart des travaux sur la fusion nucléaire se déroulent au "National Ignition Facility", où l'on utilise un processus appelé "fusion thermonucléaire inertielle". En gros, comme le rapporte CNN, les scientifiques envoient des pastilles contenant de l'hydrogène dans un réseau de 192 lasers, ce qui crée une série d'explosions rapides et répétées à raison de 50 fois par seconde.
En utilisant des lasers, les scientifiques peuvent zapper le mélange d'isotopes d'hydrogène, fournissant ainsi l'énergie nécessaire à la fusion tout en contournant le problème du confinement. Cela dit, ce procédé pose un autre problème lorsqu'il s'agit de protéger les lasers eux-mêmes de la réaction de fusion.
Bien qu'il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir commercialiser la fusion nucléaire, cette découverte est la première fois que des scientifiques ont pu montrer qu'ils pouvaient créer plus d'énergie qu'ils n'en avaient au départ, une caractéristique essentielle pour une source d'énergie commerciale potentielle.
Les experts doivent maintenant trouver non seulement comment produire l'énergie à plus grande échelle, mais aussi comment réduire le coût de la fusion nucléaire pour qu'il soit logique de l'utiliser à des fins commerciales. Chaque expérience coûte énormément de temps et d'argent, et même une seule journée de retard au projet de réacteur thermonucléaire expérimental international, par exemple, coûterait plus d'un million de dollars américains.
L'Union européenne couvrirait 45 % des coûts de construction du projet de réacteur thermonucléaire expérimental international, tandis que les autres pays membres contribueraient à hauteur d'un peu plus de 9 % chacun. Le coût de la construction, initialement estimé à 6,4 milliards de dollars, a plus que triplé depuis.
Il faudra peut-être encore des décennies aux scientifiques pour maîtriser la façon de libérer l'énergie d'une réaction de fusion suffisamment lentement pour qu'elle puisse être transférée au réseau électrique sous forme d'électricité. Certains d'entre nous ne vivront peut-être pas assez longtemps pour voir la capacité de la fusion à produire des quantités illimitées d'énergie propre, et les scientifiques sont, bien sûr, également engagés dans une course contre le changement climatique.
La consommation mondiale d'énergie, dont 80 % proviendraient des combustibles fossiles, a plus que doublé depuis 1973. Et comme la population mondiale a dépassé les huit milliards d'habitants en 2022, elle pourrait tripler d'ici la fin du siècle. La fusion nucléaire pourrait être la solution de secours qui nous libérera des combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz, qui nous ont entraînés dans la crise existentielle la plus profonde de l'humanité.
Sources: (Dummies) (CNN 1 et 2) (MIT Plasma Science and Fusion Center)
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La première démonstration de la fusion nucléaire, la bombe à hydrogène, a été réalisée par l'armée. Les isotopes de la réaction de fusion de l'hydrogène étaient placés autour d'une bombe à fission ordinaire dont l'explosion libérait l'énergie nécessaire au processus de fusion. Comme la bombe était environ 1 000 fois plus puissante qu'une bombe atomique ordinaire, elle a rendu le grand public moins enthousiaste à l'égard de la recherche sur la fusion nucléaire.
Une découverte majeure a eu lieu au National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie. Les scientifiques ont réussi à produire une réaction de fusion nucléaire qui a entraîné un gain d'énergie, rapporte CNN. Mais qu'est-ce que cela signifie réellement, et pourquoi est-ce si important ?
Non seulement il s'agit du tout premier gain net d'énergie, au lieu d'un simple équilibre, mais c'est aussi le signe de quelque chose de beaucoup plus important: l'espoir. Ces résultats arrivent après des décennies de recherches scientifiques pour créer ce qui serait une source infinie d'énergie propre, qui pourrait supprimer complètement notre dépendance aux combustibles fossiles et avoir enfin un impact positif significatif sur la crise du changement climatique.
C'est une grande nouvelle pour une planète qui est de plus en plus tourmentée par les effets négatifs des combustibles fossiles sur le climat. Cliquez sur cette galerie pour obtenir une explication claire de tout ce que vous devez savoir sur cette nouvelle forme d'énergie nucléaire qui pourrait être la plus grande source d'énergie du monde à l'avenir.
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