Recherche sur la fusion nucléaire aux Etats-Unis : quoi de neuf ?

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La fusion nucléaire contrôlée pourrait mener l’homme dans une nouvelle ère où l’énergie serait peu chère, quasi inépuisable et sa production aurait un impact environnemental quasi négligeable. Selon le Professeur Ned Sauthoff, du Laboratoire National d’Oak Ridge, la recherche mondiale concernant l’énergie issue de la fusion contrôlée arrive à un moment critique [1]. Les deux approches complémentaires que sont la fusion par confinement magnétique et la fusion par confinement inertiel parviennent à des stades expérimentaux laissant envisager des applications commerciales dans un avenir proche. Malgré une avance certaine de ces deux méthodes de fusion, de nouvelles approches qu’il ne faudrait pas négliger ont récemment été divulguées. Nous nous proposons ici de présenter les récents apports scientifiques américains aux différentes approches de la fusion nucléaire, tout en sachant que de nombreuses incertitudes entourent leurs futurs financements par l’Etat Fédéral américain.

Ce procédé de production d’énergie est fondée sur une réaction de fusion de deux noyaux atomiques légers, lesquels ont tendance naturellement à se repousser, pour former un unique noyau atomique plus lourd, mais moins lourd que la somme des parties, la différence étant convertie en énergie selon la célèbre formule d’Einstein. Cette réaction s’accompagne ainsi de la production d’une quantité d’énergie significative principalement convertie sous forme d’énergie thermique. Ces réactions de fusion nucléaire se produisent à des températures très élevées, typiquement au-delà des 50 millions de degrés Celsius. A ces températures, la matière est à l’état de plasma, c’est-à-dire un état gazeux dans lesquels atomes et molécules sont totalement ionisés. Dans ces conditions, il est aisé d’imaginer les difficultés techniques liées au confinement et au contrôle du plasma, ainsi qu’à l’extraction de l’énergie pour la production d’électricité.

Aux Etats-Unis, il existe 13 installations de recherche sur la fusion contrôlée, qui étudient deux technologies : la technologie basée sur le confinement magnétique et la technologie basée sur le confinement inertiel (cf. Tableaux 1 et 2).

La fusion par confinement magnétique

Dans le cas de la fusion nucléaire par confinement magnétique, le plasma est contrôlé et confiné à l’intérieur du volume déterminé grâce à un champ magnétique produit par des bobines ou/et un courant induit circulant dans le plasma. Aux Etats-Unis, neuf réacteurs sont en activité (cf. Tableau 1). La configuration la plus étudiée est la configuration de type Tokamak. Il est intéressant de noter que la configuration Tokamak est la configuration retenue pour le projet international ITER ("International Thermonuclear Experimental Reactor") dans lequel les Etats-Unis jouent un rôle significatif. En fait, de nombreuses recherches conduites sur le sol américain sont réalisées dans le cadre de l’accord d’ITER.


Tableau 1 : Installations de recherche sur la fusion nucléaire à confinement magnétique aux USA
Crédits : MS&T


La plupart des articles publiés en 2013 sur la fusion contrôlée par confinement magnétique étaient en relation avec le projet ITER. En effet, la contribution américaine au projet ITER (et au projet DEMO) va au-delà de l’aspect financier et implique de nombreux physiciens, chercheurs et ingénieurs ainsi que des industriels américains. Au premier semestre 2013, plusieurs articles concernant l’étude du confinement du plasma ont été publiés.

On peut citer par exemple l’étude sur les mécanismes de collisions électrons-molécules dont les résultats pourraient aider à prédire le comportement du plasma à l’intérieur de la chambre de fusion d’ITER [2]. Dans cette étude, publiée dans le journal scientifique "European Physical Journal D", des physiciens, impliquant un chercheur de l’institut polytechnique de New York, Université de Brooklyn, ont calculé l’efficacité d’une réaction impliquant un électron incident venant déloger un électron appartenant à une molécule de béryllium (Be) ou à un de ses composés hydrogénés (BeH ou BeH2). L’étude du Be et de ses composés hydrogénés est importante ; en effet, l’élément béryllium est introduit dans le plasma d’hydrogène/tritium du fait de l’érosion des murs de la chambre à fusion dont il est un des constituants. L’introduction du béryllium dans le plasma va ainsi affecter son comportement et la connaissance de la section efficace d’ionisation due à l’impact d’un électron (electron-impact ionisation cross section ou EICS) est nécessaire afin de prédire et simuler ce comportement. Les physiciens participant à cette étude ont utilisé deux méthodes d’approximation afin de déterminer l’EICS du béryllium et des ses dérivés hydrogénés. Afin de faciliter son utilisation par les autres équipes d’ITER, les sections efficaces numériques ont été ensuite transformées en équations facilement utilisables dans les codes de simulation du plasma.

L’équipe américaine d’ITER sous la direction du Département de l’énergie américain (Department of Energy ou DOE) étudie également comment réduire les perturbations du plasma. En effet, des perturbations du plasma se produisent lorsque le plasma devient instable pouvant ainsi endommager les murs faisant face au plasma. L’objectif de cette étude est de diminuer les effets "d’électrons incontrôlés" qui peuvent se former lorsque se produit une instabilité en réduisant l’énergie thermique du plasma. Lorsque des perturbations apparaissent dans un plasma, deux types d’actions sont alors envisagées : une massive injection de gaz tel que le néon ou l’argon dans le plasma ou une injection de pastilles émiettées de néon et deutérium afin d’introduire des fragments solides dans le plasma. Quelque soit la méthode, il est crucial de réagir très rapidement et une nouvelle technique d’imagerie récemment mis au point par les physiciens du Princeton Plasma Physics Laboratory du DOE et General Atomics pourrait améliorer le contrôle de ces instabilités. Cette technique, appelée "Electron Cyclotron Emission Imaging" ou ECEI, utilise une série de détecteurs afin de produire un profil 2 dimensions (2D) des températures électroniques fluctuantes au sein du plasma. Les méthodes standards ne produisaient jusqu’ici que des profils 1D. L’ECEI pourrait permettre de modéliser de manière plus précise la réponse du plasma confiné aux perturbations magnétiques extérieures et ainsi améliorer la stabilité du plasma.

Les chercheurs du Plasma Science and Fusion Center (PSFC) du MIT, Massachussetts, ont fait récemment une découverte significative qui pourrait à terme permettre de quantifier un type de turbulences qui a un impact significatif sur les effets de refroidissement du plasma. Deux processus prédominent les pertes de chaleur dans ces plasmas : les pertes au travers des électrons et les pertes au travers des ions. Les modèles courants supposaient que les deux types de pertes étaient correctement analysés en ne tenant compte que des tourbillons de grande taille. Pourtant, certains résultats expérimentaux ne pouvaient pas être expliqués par ce modèle, en particulier lorsque les pertes de chaleurs se produisaient principalement par l’intermédiaire des électrons. Les chercheurs du PSFC, en introduisant les tourbillons de petite taille au modèle standard, ont obtenu un accord avec les expériences satisfaisantes.

La fusion par confinement inertiel

Pour réaliser la fusion par confinement inertiel, un faisceau ou un certain nombre de faisceaux très énergétiques - laser, particules, champ magnétique pulsé - est focalisé sur une pastille contenant un mélange de deutérium-tritium entrainant sa compression rapide dans un volume fraction de sa taille initiale. Cette compression est si violente que la densité et les températures atteintes peuvent mener à la fusion de deux noyaux atomiques légers. Quatre installations de recherche sont actives aux Etats-Unis (cf. tableau ci-après). Les expériences réalisées au sein de ces installations permettent de gagner en compréhension sur les installations et sur le comportement du plasma dans le cas de la fusion par confinement inertiel ; chaque nouvelle découverte pouvant être transposée à une autre installation.


Tableau 2 : Installations de recherche sur la fusion nucléaire à confinement inertiel aux USA
Crédits : MS&T


En fait, les dernières recherches publiées dans le domaine de la fusion nucléaire se sont concentrées spécifiquement sur la technologie laser de la fusion par confinement inertiel. Par exemple, les chercheurs du US Naval Research Laboratory ont réussi à modifier l’impulsion laser du Nike de telle manière à produire un "focal zooming", c’est-à-dire un profil central du faisceau laser dans le plan focal, dont le diamètre varie avec le temps [3]. Cette propriété est très importante dans le cas de la fusion par confinement laser pour obtenir un couplage optimal laser-pastille ; en effet, la taille des faisceaux dans le plan focal du laser doit diminuer en continu avec la réduction du diamètre de la pastille, afin de minimiser les pertes d’énergie. Dans l’expérience réalisée avec le laser Nike, une impulsion laser 4.4 ns a été créée pour laquelle le diamètre du point focal sur-cible était de 1,3 mm (largeur à mi-hauteur) pour les 2,4 premières nanosecondes (ns) et 0,28 mm pour les 2 ns restantes. Cette réalisation devrait permettre une efficacité améliorée et une diminution des coûts de construction et d’opération des futurs réacteurs à fusion inertielle.

De leur côté les chercheurs du "Laboratory for Laser Energetics" travaillent à l’amélioration des performances d’implosion du mélange deutérium-tritium cryogénique dans le cas d’une illumination de la pastille directe. En effet, ils ont trouvé que des gaz contaminants (CHx, CO2, N2,…) dans la réserve de combustibles (deutérium-tritium) se figent sur les surfaces extérieures de la pastille. Suite à cette découverte, un filtre palladium-argent a été installé au niveau du système de remplissage de la pastille afin d’éliminer tout les contaminants gazeux excepté l’hydrogène. Les performances de l’implosion ont alors été fortement améliorées avec un rendement pouvant plus que doubler.

Bien qu’aucune expérience de fusion par confinement inertiel n’ait réussi à ce jour à initier un plasma entrainant la fusion, le National Ignition Facility ou NIF est l’installation qui paraît être la plus proche d’atteindre le point d’ignition. Anticipant l’ignition, l’idée de la création d’un démonstrateur pour une centrale électrique commerciale basée sur les connaissances acquises au NIF a germé au sein du Lawrence Livermore National Laboratory. Appelée LIFE [4] pour Laser Inertial Fusion Energy, ce démonstrateur suit les 4 étapes suivantes :
1- Construction de NIF (réalisé en 2009) ;
2- Démonstration de la possibilité d’ignition, c’est-à-dire un gain net en énergie dû à la fusion (en cours d’élaboration) ;
3- Construction du démonstrateur LIFE intégrant toutes les technologies nécessaires à une centrale électrique (envisagé pour 2025) ;
4- Commercialisation à grande échelle de centrales de type LIFE reliée au réseau électrique (envisagé après 2025).

Deux récentes nouvelles approches à la fusion nucléaire

Tokamak "à déchets nucléaires"

En septembre 2012, une découverte par des chercheurs de l’Université du Texas à Austin porte haut les espoirs de rendre l’énergie nucléaire plus "propre", en proposant une machine qui détruit les déchets nucléaires les plus dangeureux. Cette machine est un réacteur qui utilise à la fois la fusion et la fission nucléaire : des réactions de fusion produisent des neutrons de haute énergie, qui vont ensuite pénétrer dans un environnement adapté, siège de réactions de fissions réalisées à partir des déchets nucléaires les plus radioactifs. Les neutrons produits par la fusion servent à accroitre les réactions de fission, et améliorent ainsi la rentabilité et la stabilité du processus d’incinération des déchets nucléaires.

L’invention a été présentée dans le journal Fusion Engineering and Design en septembre 2012 et porte le nom de "Super X Divertor". Un tel réacteur hybride, dont la taille ne dépasse pas celle d’une petite salle, serait suffisant pour éliminer les déchets nucléaires les plus problématiques de 10 à 15 réacteurs à fission nucléaire. La réduction de ces déchets dits "transuraniques" produits par ces derniers serait ainsi de 99%, et représente la façon la plus économique et rapide de le faire parmi toutes les voies proposées jusqu’alors.

Déjà plusieurs groupes comptent implémenter cette innovation dans leurs réacteurs nucléaires. C’est le cas par exemple du tokamak MAST au Royaume-Uni et des DIIID (General Atomics) et NSTX (Princeton University) aux Etats-Unis. Des simulations approfondies sont actuellement en cours, dans le but de transformer ce concept en un réel projet d’ingénierie, avec réalisation d’un premier prototype. La technologie hybride pourrait ainsi constituer l’étape-clé pour permettre l’utilisation de l’énergie nucléaire de façon alternative au charbon et au pétrole, en attendant que les énergies renouvelables et l’énergie par fusion nucléaire pure arrivent à maturité.

Fusion nucléaire sans confinement

Randy Curry [4], professeur au Collège d’ingénierie de l’Université du Missouri, et son équipe ont réussi l’exploit de créer un plasma qui atteint des températures supérieures à celles existantes à la surface du soleil et qui se déplace dans l’air sur une distance pouvant atteindre environ 60 cm. Pourtant, il n’émet aucune radioactivité et semble être totalement inoffensif pour l’homme.

Le système utilise un bloc de puissance pulsée constitué d’une alimentation en courant continu qui charge des condensateurs et décharge l’énergie accumulée rapidement dans un fil de cuivre. Sous l’effet de cette décharge, le fil de cuivre - qui se trouve derrière une grille métallique accélératrice tenue entre deux morceaux de plexiglas - est vaporisé ; le plasma résultant est un plasma de forme torique se propageant dans l’air et d’une durée de vie d’une "dizaine de millisecondes." La stabilité du plasma est due à la formation d’un champ magnétique propre au système qui le confine dans l’espace.

Le Dr. Curry et ses collègues pensent que cette découverte pourrait mener à long terme à de nouveaux concepts de réacteurs à fusion nucléaire, voire à des systèmes de stockage de l’énergie. Cependant, le développement de ces nouvelles technologies dépend fortement des financements qui seront accordés, et qui se font de plus en plus rares, d’où une grosse incertitude quant à l’approfondissement de ces nouvelles recherches.

Financement de la recherche sur la Fusion

Le financement des programmes de recherche sur la fusion nucléaire provient du gouvernement fédéral.

La recherche concernant la fusion par confinement magnétique est principalement financée par le Bureau des sciences (Office of Science), une entité du Département de l’énergie (Department of Energy ou DOE). Pour l’année fiscale 2014, commençant aux Etats-Unis en octobre 2013, le budget du programme sur la fusion nucléaire (Fusion Energy Science ou FES) devrait se situer entre 458 et 506 millions de dollars, soit une croissance comprise entre 14 et 26% par rapport à l’année fiscale 2013. Ce programme finance non seulement les expériences de fusion nucléaire réalisées sur le sol américain mais également le projet ITER. Depuis deux ans, le financement du projet ITER a attiré beaucoup d’attentions et en mai dernier quatre Sénateurs clés ont demandé au Government Accountability Office (GAO) - équivalent de la Cour des comptes français - un audit sur le projet ITER. Ces Sénateurs sont inquiets de l’augmentation du coût d’ITER qui a plus que doublé pour les Etats-Unis : contribution totale de 2,4 milliards de dollars contre 1,122 milliards de dollars initialement prévus lors de la signature du contrat en 2006. Les Sénateurs affirment que le surcoût du projet ITER se fait au dépend des programmes de fusion nucléaire nationaux. Effectivement le réacteur Alcator-C-mode ne recevra aucun financement du gouvernement fédéral au cours de l’année fiscale 2014. Les Sénateurs reprochent également le manque de vision stratégique de US-ITER et exigent qu’à la demande de budget 2015 du DOE soit annexé un document détaillant l’ensemble des coûts jusqu’à la fin du projet.

La recherche américaine sur la fusion nucléaire par confinement inertiel est financée par l’intermédiaire de l’Administration nationale sur la sécurité nucléaire (National Nuclear Security Administration ou NNSA), une entité du DOE, et le Bureau de recherche Navale (Office of Naval Research ou ONR). Le budget de la NNSA concernant le confinement inertiel devrait être de l’ordre du demi-milliard de dollars. La majorité de ces fonds seront alloués au NIF. Tant dans les rangs des politiques que dans les rangs des scientifiques, des voix s’élèvent pour demander une meilleure coordination entre les différents laboratoires de recherche nationaux et l’institution d’un programme de R&D national gérant tous les aspects de la fusion inertielle comprenant à la fois la recherche scientifique et technologique.

En conclusion, malgré des restrictions budgétaires importantes dans de nombreuses branches du gouvernement fédéral américain, les financements relatifs à la recherche sur la fusion nucléaire sont en hausse pour l’année fiscale 2014. Cela confirme l’importance du secteur de l’énergie pour l’Etat fédéral américain, mais également la peur au sein même du Congrès américain de perdre la course à l’énergie tel que l’ont prédit plusieurs scientifiques américains.

Pour en savoir plus, contacts :


- [1] Rencontre AAAS (American Association for the Advancement of Science) 2013 à Boston : http://aaas.confex.com/aaas/2013/webprogram/Session5524.html
- [2] Article "Electron Impact Ionization Cross Sections of Beryllium and Beryllium Hydrides", T. Maihom et al., The European Physical Journal D, disponible en ligne : http://www.researchgate.net/publication/234576819_Electron_Impact_Ionization_Cross_Sections_of_Beryllium_and_Beryllium_Hydrides
- [3] Article "Implementation of focal zooming on the Nike KrF laser" ; D. M. Kehne1 et al., Rev. Sci. Instrum. 84, 013509 (2013) : http://rsi.aip.org/resource/1/rsinak/v84/i1/p013509_s1?isAuthorized=no
- [4] Site du Laser Inertial Fusion Energy "LIFE" : https://life.llnl.gov/index.php
Code brève
ADIT : 73787

Rédacteurs :


- Christian Turquat, Attaché scientifique, attache-phys@ambascience-usa.org ;
- Catherine Marais, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org ;
- Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….