Publié par : Claude Marchis | 23 août 2014

La fusion nucléaire, énergie du futur

400px-Technician_inside_NIF_target_chamber

Depuis un temps immémorial, l’homme a su utiliser les forces naturelles pour se chauffer, se nourrir, se mouvoir, survivre à un environnement alors hostile. Puis, au fur à mesure des découvertes, il parvint à améliorer considérablement son existence en exploitant ce qu’un physicien anglais du XIXè siècle,Thomas Young, nomma « énergie », un nouveau concept qui regroupait les différentes forces de la Nature. L’énergie est aujourd’hui présente dans la majorité des problèmes posés à notre société devenue de plus en plus dépendante, ses besoins en énergie évoluant au rythme de son évolution . Des questions se posent sur la pérennité des sources, la dangerosité des installations, l’impact sur l’environnement. Les projets de transition énergétique, la recherche de nouvelles sources d’énergie constituent une priorité dans les programmes gouvernementaux. Un éclairage sans a priori pour une meilleure compréhension des projets qui pourraient conduire, si nous n’y prenons garde, à un chambardement d’alternatives de productions d’énergie plus ou moins rentables, peut être utile à ceux qui désirent évaluer les différents choix technologiques de ceux qui gouvernent la politique énergétique.

Dans un imbroglio de nouvelles recherches, l’une d’elles, malgré son qualificatif de nucléaire qui a tendance à faire frémir sans qu’on ait quelquefois bien compris ce qu’il signifie, semble prometteur pour les générations futures. Il s’agit de la fusion nucléaire.

De l’énergie

L’énergie s’est créée en même temps que l’univers, elle en est partie intégrante, infuse dans toute son immensité.  Selon la théorie de la relativité générale d’Einstein qui ouvrit une nouvelle ère de la physique, celle de l’infiniment grand et de l’infiniment petit, la matière est un immense réservoir d’énergie et mieux encore il n’y a pas de différence qualitative entre matière et énergie ce qu’illustré la très célèbre et étonnamment simple équation E=MC2. L’énergie E égale la matière M multipliée par une constante C2 (le carré de la vitesse de la lumière. Se révélant sous différentes formes, mécanique, chaleur, électrique, chimique ou autres, elle peut se transformer en se conservant, autrement dit, elle ne se perd pas ! Un bilan énergétique peut être calculé dans Toute transformation comme une combustion ou une réaction nucléaire, peut faire l’objet d’un bilan énergétique ; l’énergie résultante est toujours identique à celle qui a été reçue. 

Le « nucléaire », une énergie de liaison au sein de l ‘atome

La matière est composée d’atomes longtemps considérés comme insécables. Les physiciens représentaient l’atome selon une image planétaire avec un noyau autour duquel gravitent des particules électrons comme des planètes autour d’un soleil. Cette image de la physique classique s’est depuis quelque peu compliquée au début du siècle dernier. D’où provient l’énergie nucléaire ? Le nucléaire consiste à récupérer au cœur du noyau atomique l’énergie des forces de liaison restituée sous forme de chaleur. Dans le noyau atomique se trouvent des particules protons et neutrons, appelés généralement nucléons, liés entre eux par des forces identifiées dans la physique des particules. Chaque élément de l’univers comme l’hydrogène, l’hélium, le fer et une centaine d’autres, est caractérisé par d’un nombre différent de protons, plus le nombre de protons est grand plus l’élément est lourd. Des neutrons s’unissent quelquefois aux protons dans le noyau constituant ce que l’on appelle des isotopes qui l’alourdissent et peuvent modifier sa stabilité, autrement dit le noyau peut se briser et laisser échapper ou recevoir d’autres nucléons de son environnent. Quand une transformation s’opère en agissant dans le noyau atomique, soit naturellement soit artificiellement par apport d’énergie externe, il y a transformation de la matière, l’élément se transforme en un autre élément. Les énergies de liaison se conservant, l’excédent éventuel d’énergie est restitué à l’environnement, sous forme de rayonnement ou de chaleur. L’énergie nucléaire est ainsi le processus qui permet de récupérer de la chaleur provenant de la mutation atomique. La chaleur produit de la vapeur d’eau qui actionne des turbines fournissant de l’électricité. Récemment, ces dernières furent souvent à la une lors de l’éventuelle reprise d’Alstom par la General Electric tant cette entreprise française est renommée pour son savoir et son expertise dans la conception et la fabrication des turbines à vapeur.

Fusion nucléaire n’est pas fission nucléaire

Les centrales nucléaires que nous exploitons aujourd’hui, reconnaissables par leurs refroidisseur, ces bâtiments ayant la forme d’un diabolo posé à la verticale, dégageant une importante fumée blanche qui n’est autre que de la vapeur d’eau, fonctionnent en mode de fission nucléaire. Elles utilisent des éléments composés d’atomes lourds comme l’uranium U235 ou le plutonium 239, c’est-à-dire qu’ils contiennent dans leurs noyaux une quantité importante de protons et de neutrons. Leurs noyaux sont instables et ont tendance dans le temps à se briser d’eux-mêmes, à se « fissionner » dans les conditions de température et de pression de notre environnement terrestre. Ces atomes lourds,dits radioactifs, se transforment en d’autres atomes moins lourds ( Thorium, Strontium, Xénon). Au cours de la fission, ces éléments lourds émettent de l’énergie sous forme de rayonnements suffisamment énergétiques pour créer des liaisons dans les tissus humains et s’avérer dangereux pour l’homme en cas d’accident. Cette énergie nucléaire que nous exploitons aujourd’hui, l’énergie nucléaire par FISSION, fait peur. Elle alarme les « verts » qui militent depuis des décennies pour un démantèlement des centrales nucléaires sans résoudre cependant l’énigmatique adéquation besoin-production de l’énergie.

Le type d’énergie qui nous intéresse ici et qui parait intéressant pour notre avenir est aussi nucléaire, mais de fusion nucléaire plus exactement. Ses atouts : disponibilité des ressources, pas de dangerosité. Elle ne se situe aujourd’hui qu’au stade de recherches mais déjà ingénieurs et scientifiques annoncent des dates d’installations et d’exploitations en 2040.

La Fusion nucléaire

fusion nucléaire-2La fusion nucléaire est tout le contraire de la fission nucléaire même si le principe fondamental reste encore de récupérer une partie des forces de liaison entre les nucléons (protons ou neutrons) dans une transformation de la matière. Le processus consiste à associer deux noyaux atomiques légers. Plus ils sont légers, plus l’opération est facile. Ainsi, on utilise l’hydrogène ou le deutérium ce qui donne en résultat un atome légèrement plus lourd comme l’Hélium . Même si nous ne savons pas aujourd’hui l’exploiter, cette fusion nucléaire ne nous est pas étrangère, au contraire elle fait partie intégrante de notre quotidien. Le soleil, notre étoile bienveillante et généreuse nous fournit lumière, chaleur et énergie par une réaction de fusion nucléaire. Quoi de plus naturel alors aux terriens d’utiliser ce phénomène de la physique pour produire de la chaleur ou de l’énergie pour notre confort ! Seulement, l’opération n’est pas simple car au centre du soleil, les conditions de température et de pression sont si élevées, si gigantesques, que cette sorte de réaction se produit spontanément alors que sur terre il en est tout autrement : l’hydrogène, l’élément le plus abondant, ne fusionnent pas spontanément pour produire de l’hélium en dégageant chaleur, rayonnements et énergie.

Heureusement, ceux qui connaissent la grande aventure de la science ou les défis de la recherche, ne baissent pas facilement les bras. Nous n’avons pas sur la planète bleue les conditions que connaissent les étoiles avec des millions de degrés de température, des pressions si énormes qu’un élément métallique s’y trouve à l’état gazeux. Il leur suffit de les créer ! L’enjeu est de taille, il est celui de disposer d’une énergie à partir de produits stables non radioactifs en abondance sur notre planète et dans l’univers entier. Finis les trous dans le sol pour extraire du gaz de schiste, les moulins à vent sur les collines, les « Don Quichotte » du XXIè siècle pourront désormais s’apaiser et dormir tranquilles.

Succès en laboratoire, la fusion enfin rentable

SCIENCE-NUCLEAR-FUSION

_70337942_70337940Les scientifiques avaient maintes fois réussi la fusion de noyaux légers tels que le deutérium constitué d’un proton et d’un neutron ou le tritium, un proton et deux neutrons, ce qui produisait de l’hélium à deux protons. La difficulté de ces expériences tenait principalement à l’incontournable contrainte de rentabilité : la fusion doit produire plus d’énergie qu’elle en consomme or on l’a vu, celle-ci ne peut se réaliser qu’à très haute température. En un jour de gloire pour la science, le 29 septembre 2013, des chercheurs californiens réussirent le prouesse expérimentale attendue. Le Lawrence Livermore National Laboratory annonçait avoir réussi une fusion nucléaire dont l’énergie résultante était positive en employant un laser à très haute énergie à 192 faisceaux combinés, dirigés sur des noyaux d’atomes d’hydrogènes. Cette véritable démonstration aux chercheurs du monde entier d’une énergie nucléaire à fusion rentable confortait et encourageait ceux qui s’étaient lancés audacieusement dans le paradigme de la fusion. A plus long terme, la fusion nucléaire deviendra t-elle une réalité industrielle et économique ?

ITER, une expérimentation de grande envergure vers une production réelle

rax_0195Déjà en 2010, avant la réussite du laboratoire californien, un village des Bouches-du- Rhône, Cadarache, accueillait sur son sol les débuts de la construction du premier réacteur d’expérimentation ITER, première étape d’ un projet de faisabilité et de production-test de la fusion. ITER, organisation internationale incluant la Chine, l’Union Européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les Etats-Unis s’est fixé un objectif d’un taux de rentabilité de 10 ou plus, ce qui signifie que la puissance produite doit être au moins égale à dix fois la puissance reçue. Le chantier devrait se terminer en 2019. Différentes phases de test de fusion de deutérium ou de tritium s’échelonneront jusqu’en 2027. Ensuite, un second réacteur prototype, nommé DEMO, sera construit pour atteindre en 2040 la finalité de ce projet d’envergure de production et d’exploitation d’électricité en révélant éventuellement les éventuels risques et limites de fonctionnement des différents processus.

L’énergie de fusion (on aura probablement enlevé le mot trop alarmant nucléaire) dont les ressources sont disponibles et sans risques pour notre environnement marquera alors au milieu du siècle le début d’une ère industrielle. Il se trouvera bien quelques suspicieux ou alarmistes qui tenteront de dénigrer cette avancée technologique. Pourtant, l’enjeu de l’énergie dans sa globalité, quelques soient les choix et les solutions, est déterminant pour la survie de l’humanité. Malgré une campagne justifiée de lutte contre le gaspillage, les besoins croissent inévitablement et les énergies de transition que l’on espère encore aujourd’hui restent à plus long terme dangereusement insuffisantes.

Énergie de masse, transformation d’une matière diffuse de l’univers, la fusion nucléaire est une application directe des théories de ceux que l’on appelait à l’époque encore des savants, ceux de la physique relativiste et quantique de la fin XIXè et du début du siècle dernier qui ont tant apporté à l’évolution de notre société. En restant au service de l’humanité, la recherche nous permet encore d’espérer et de rêver à cette relance économique qu’accompagnerait un progrès social annonçant enfin la fin d’une crise qui aurait duré trois-quart d’un siècle.

C. Marchis

Publicités

Laisser un commentaire

Entrez vos coordonnées ci-dessous ou cliquez sur une icône pour vous connecter:

Logo WordPress.com

Vous commentez à l'aide de votre compte WordPress.com. Déconnexion / Changer )

Image Twitter

Vous commentez à l'aide de votre compte Twitter. Déconnexion / Changer )

Photo Facebook

Vous commentez à l'aide de votre compte Facebook. Déconnexion / Changer )

Photo Google+

Vous commentez à l'aide de votre compte Google+. Déconnexion / Changer )

Connexion à %s

Catégories

%d blogueurs aiment cette page :