Que sont devenus nos projets de fusion nucléaire ?

De mémoire d'homme, nous avons toujours vénéré la fusion nucléaire. Bien sûr, nous lui avons fait traverser les millénaires sous des dizaines de noms différents : elle s'appelait Ra chez les Égyptiens, Hélios chez les Grecs, Tonatiuh chez les Aztèques.

Aujourd'hui, la plupart d'entre nous la connaissons sous le nom de "Soleil". Les physiciens du monde entier la regardent avec le même émerveillement que nos ancêtres. Pas parce qu'ils pensent que le Soleil traverse le ciel à bord d'un bateaux de roseaux, prêt à déclencher l'apocalypse, mais parce qu'ils savent que notre astre détient le secret d'une l'énergie propre et peut-être illimitée.

Chaque seconde, des trillions d'atomes d'hydrogène fusionnent dans le cœur ultradense du Soleil, là où la température atteint les 15 millions de degrés celsius. Là, les forces gravitationnelles sont si puissantes qu'ils n'ont d'autre choix que de se combiner pour former de l'hélium, un atome plus lourd, en relâchant d'énormes quantités d'énergie. Ce phénomène porte le nom de fusion nucléaire.

La fusion nucléaire se produit naturellement partout dans l'Univers, dans le coeur des étoiles. Pourtant, la reproduire sur Terre s'est révélé remarquablement difficile. La gravité du Soleil est assez forte pour contenir son coeur de plasma extrêmement dense et chaud. Reproduire une telle enceinte de confinement sur notre planète n'est pas encore possible : aujourd'hui, nos ingénieurs et physiciens peinent à contenir de petites quantités de plasma d'hydrogène pendant quelques centièmes de secondes.

Des centrales basées sur ce genre de réacteur pourraient nous libérer des énergies fossiles, fournir une quantité illimitée d'électricité propre, libérer les pays en développement de la crise énergétique et donc de la pauvreté. Elles pourraient aussi fournir assez d'énergie pour faire fonctionner de grandes usines de dessalement et transformer les pénuries d'eau en vieux souvenir. À terme, elles pourraient même servir nos projets extraterrestres en alimentant nos colonies lunaires ou martiennes, et peut-être même des vaisseaux qui nous permettront de voyager de galaxie en galaxie.

Bien sûr, il faudrait d'abord que nous parvenions à créer de tels réacteurs.

Je me suis rendu dans deux des plus grands centres de recherche sur la fusion nucléaire du monde, les Laboratoires Sandia du Nouveau-Mexique et l'entreprise General Fusion de Vancouver, pour évaluer nos progrès dans cette quête. Bon nombre des physiciens employés par Sandia pensent que l'étude de la fusion relève de la recherche exploratoire et que nous commençons tout juste à comprendre le phénomène après 50 ans de travail. Les chercheurs de General Fusion ne se satisfont pas de ces constats et essayent activement de créer un réacteur fonctionnel.

Concevoir un système de fusion qui génère plus d'énergie qu'il n'en consomme est encore un objectif lointain pour ces physiciens nucléaires. Leur plus grand défi : trouver un moyen de créer et conserver les conditions extrêmes qui permettent la fusion dans le cœur des étoiles. Sandia et General Fusion ont réalisé des avancées considérables dans cette direction ; tous deux sont des acteurs majeurs de l'épopée qui a commencé en 1932, quand le physicien australien Mark Oliphant est parvenu à déclencher la première fusion artificielle.

Depuis la découverte d'Oliphant, le réacteur à fusion, cette "étoile en bocal", est devenu l'un des Graal de la physique. Les pionniers du domaine n'avaient pas prévu que le problème se révélerait si épineux. Aujourd'hui, les physiciens nucléaires aiment à répéter la blague consacrée : la fusion, c'est toujours pour dans 30 ans.

Jusqu'au début du troisième millénaire, l'écrasante majorité des travaux de recherche en fusion nucléaire américains étaient réalisés dans le secret des laboratoires du Department of Energy. Là, elle était étroitement liée à des problématiques de sécurité nationale. À l'origine, les physiciens employés par le gouvernement étudiaient la fusion pour concevoir des armes nucléaires. Ces chercheurs ne sont jamais parvenus à créer une bombe à fusion "pure", mais ils ont donné naissance à des armes thermonucléaires qui mêlent fission et fusion. Plus connues sous le nom de bombes à hydrogène, elles étaient beaucoup plus puissantes que les armes fissiles qui ont détruit Hiroshima et Nagasaki.

En dépit du fait qu'elle a permis de concevoir les armes les plus dangereuses de l'histoire, la recherche publique américaine en fusion se tourne désormais vers la régulation des stocks d'armes nucléaires. Cependant, depuis deux décennies, des investisseurs privés se jetent eux aussi dans la course aux réacteurs à fusion. Quelques entreprises n'hésitent pas à s'appuyer sur la recherche publique pour développer la première centrale à fusion de l'histoire. Les enjeux sont grands - ce domaine de recherche est incroyablement coûteux et ne rapportera sans doute rien pendant encore quelques décennies - mais les bénéfices potentiels sont énormes.

Quelque part au large d'Albuquerque, au Nouveau-Mexique, un complexe de 3 500 hectares couverts de bâtiments stériles s'étend derrière des clôtures barbelées. Des mesures de sécurité tenues secrètes protègent l'endroit contre toute intrusion. Chaque matin, un cortège de voitures long de plusieurs kilomètres se forme devant son entrée principale. À l'intérieur des véhicules, des employés attendent d'obtenir leur autorisation de pénétrer dans la zone auprès de gardes lourdement armés.

Bienvenue aux Laboratoires Sandia, l'un des trois centres de recherche qui relèvent de la compétence du la National Nuclear Security Administration. Sandia fait partie de l'immense Kirtland Nuclear Weapons Complex, où se trouvent également le Nuclear Weapons Center de l'US Air Force et ce qui est souvent perçu comme le plus grand entrepôt d'armes nucléaires des États-Unis. Kirtland est probablement la pièce maîtresse de l'infrastructure nucléaire du pays ; en tant que telle, elle dispose de tout l'apparatus de la sécurité intérieure.

La plupart des bâtiments des laboratoires Sandia sont identifiés par un simple numéro qui ne révèle rien de leurs fonctions. Celui qui abrite la source de rayons X la plus puissante du monde est unique parce qu'il a droit à un titre : Z Pulsed Power Facility.

Lorsque je suis arrivé (sous escorte) à la Z Pulsed Power Facility, j'ai été accueilli par Michael Cuneo, le responsable senior de la machine Z. Cuneo a passé la majeure partie de sa carrière a braquer quelques-uns des plus gros lasers du monde sur des cibles grosses comme une pièce de cinq centimes pour faciliter les réactions de fusion. Ce matin-là, il était manifestement excité et s'est empressé de nous faire entrer dans le bâtiment, mon escorte et moi.

"Vous arrivez juste à temps, m'a-t-il annoncé. Nous sommes sur le point de procéder au tir."

La machine Z trône dans un grand entrepôt, au centre d'une chambre à vide assez large pour accueillir un 4x4. Cette chambre accueille une petite cible constituée de deuterium, un isotope de l'hydrogène. Deux douves entourent la chambre : la première contient de l'eau, la seconde de l'huile. Elles servent à isoler les énormes batteries de condensateurs qui alimentent la machine 2.

Une fois par jour au grand maximum, ces condensateurs sont assez chargés pour alimenter une centaine de maisons en énergie pendant quelques minutes. Cette énergie est alors compressée puis relâché en un tir unique dans la chambre à vide. Chaque tir est 1 000 fois plus puissant et 20 000 fois plus rapide que la foudre.

Lorsque cette décharge frappe sa cible, elle fait tout bonnement exploser ses atomes. Cette réaction libère un grand nombre d'électrons du noyau auquel ils étaient liés, ce qui transforme la cible en plasma et créé un champ magnétique fort qui entraînent les noyaux vers l'intérieur à une vitesse d'environ 5 000 kilomètres par seconde. En compressant l'énergie et le temps ainsi, on obtient une réaction de fusion et beaucoup d'énergie sous forme de rayons X.

Alors que nous approchions de l'heure du tir, des techniciens entraient et sortaient de la pièce dans laquelle est entreposée la machine Z pour faire des réglages de dernière minute. La machine Z ne tire qu'une seule fois par jour : certains physiciens doivent attendre des semaines, voire des mois avant de pouvoir l'utiliser. Tout doit être parfait avant chaque tir.

Finalement, le dernier technicien a quitté la salle et les portes se sont fermées. Une lumière orange s'est mise à battre au bout du couloir. Le tir était imminent. Une détonation sourde a retenti dans la salle de contrôle dans laquelle nous nous trouvions ; l'éclairage a brièvement défailli et une secousse a fait trembler le sol. Encore une belle journée et une expérience réussie pour la machine Z.

La méthode utilisée dans la Z Pulsed Power Facility est appelée fusion à cible magnétisée. Les Laboratoires Sandia l'ont choisie après avoir passé plusieurs décennies à tenter des approches alternatives. La machine Z a réalisé ses premiers tirs dans les années 70. À l'origine, elle faisait partie d'une série d'accélérateurs de particules conçus à la demande du gouvernement américain. Les responsables politique de l'époque s'inquiétaient d'une possible crise énergétique et souhaitaient étudier les réactions de fusion qui donnaient leur puissance aux armes thermonucléaires dans un contexte de laboratoire. En 1996, le complexe a doublé son accélérateur à faisceaux d'électrons d'un z-pinch, un dispositif qui permet de créer du plasma autour d'un faisceau de particules. C'est cette technologie a permis de concevoir la machine Z de Santia après 20 années de progrès.

Pendant que nous attendions que les techniciens mettent la machine Z hors de tension et s'assurent la pièce était sûre, j'ai interrogé Cuneo sur la nature de l'expérience à laquelle nous venions d'assister. Sens entrer dans les détails, défense de la sécurité nationale oblige, il m'a expliqué qu'elle avait à voir avec ce qui se passe dans le cœur d'une bombe nucléaire au moment de sa détonation. Une bonne partie des expériences qui sont effectuées avec la machine Z ont un but semblable. Cependant, il arrive que les physiciens l'utilisent pour simuler des scénarios plus exotiques. Au début de l'année, par exemple, la machine Z a été utilisée pour renverser de vieilles théories concernant la nature du plasma qui entoure les trous noirs.

La seule chose que la machine Z n'étudie pas, m'assure Cuneo, c'est la fusion nucléaire. (Meme si cela a déjà été étudié dans le complexe par le passé.)

Les conditions de fusion créées dans le bâtiment Z ne durent que quelques millisecondes. Si cette approche était utilisée pour faire fonctionner une centrale à fusion, les tirs qui n'arrivent qu'une seule fois par jour à l'heure actuelle devraient se succéder à un rythme rapide et sans interruption. De plus, l'énergie produite par la réaction devrait être récoltée et distribuée. Pour Cuneo, il serait inutile que les Laboratoires Sandia se mettent en tête de concevoir un réacteur à fusion à fonctionnement pulsé, car la machine Z est encore bien loin d'atteindre le niveau d'énergie nécessaire à la création d'un tel dispositif.

Il y a deux grandes étapes sur la route de l'énergie de la fusion. La première est connue sous le nom d'équilibre scientifique : c'est le moment où une réaction de fusion produit autant d'énergie que le plasma dont elle dépend n'en contient. Cuneo appelle la seconde "équilibre d'ingénierie". Elle désigne le moment où un réacteur à fusion produit plus d'énergie qu'il n'en nécessite.

Pour le moment, la National Ignition Facility de Californie est le seul laboratoire de recherche du monde à avoir atteint l'équilibre scientifique avec une réaction de fusion.

"C'est une énorme réussite, m'a déclaré Cuneo. Au Z, nous sommes à environ 1% de l'équilibre scientifique. Nous espérons l'atteindre dans les cinq ans à venir."

Quand cette étape sera atteinte, les chercheurs devront viser l'équilibre d'ingénierie. Pour atteindre cet objectif, ils devront concevoir un réacteur à fusion assez grand pour produire une quantité d'énergie supérieure à ses besoins. Ensuite, ce sera pire : ils devront parvenir à déclencher des réactions de fusion qui dégagent assez d'énergie pour que ces réacteurs puissent être connectés au réseau électrique.

Le défi scientifique est tel que Cuneo refuse de croire qu'un seul kilowatt (assez d'énergie pour faire tourner un micro-ondes ordinaire) sera produit à l'aide de la fusion avant 2050. Certains sont plus optimistes : depuis une dizaine d'années, quelques entreprises privées concourent pour créer la première centrale à fusion de l'histoire.

General Fusion est installé dans un petit parc industriel de Vancouver, en Colombie britannique. Ses locaux sont installés face à une épicerie de quartier. De l'extérieur, on jurerait qu'ils sont remplis de physiciens pris dans des expériences de pointe sur la fusion nucléaire. En réalité, l'endroit bourdonne d'activité : d'une machine mystérieuse à l'autre, des dizaines d'ingénieurs et de techniciens en blouse rouge se dépêchent et se croisent.

Dès mon arrivée, j'ai été accompagné jusqu'à une salle dans laquelle m'attendait Michael Delage, le Chief Technology Officer de General Fusion, debout face à un grand orbe de métal hérissé de pistons. Cet objet, m'a-t-il expliqué, est un spheromak. C'est un modèle réduit prototypal de la machine que General Fusion espère placer un jour au centre de sa centrale nucléaire à fusion. Comme Sandia, General Fusion compte atteindre ce but grâce à la fusion à cible magnétisée. Cependant, l'approche de General Fusion est différente.

Cet orbe est l'un des deux composants du réacteur à fusion que General Fusion prévoit de construire. L'autre est un injecteur à plasma.

Le fonctionnement du réacteur peut être résumé en quelques phrases. Un mélange de plomb et de lithium liquide est injecté dans l'orbe, où il est mis en rotation pour créer un vortex. Dans l'injecteur à plasma, un gaz de deuterium-tritium est soumis à une décharge d'électricité très brève et intense qui le porte à une température de cinq millions de degrés Celsius. Le plasma créé ainsi est magnétisé pour former un anneau puis injecté dans l'orbe. Là, il se glisse dans le centre vide du vortex de métal liquide.

Quand le plasma est injecté dans le vortex, les pistons qui couvrent l'orbe sont "mis à feu" et frappent l'engin au même moment. L'impact créé une onde de choc accoustique qui fait s'effondrer le métal liquide sur le plasma. La pression fait grimper la température du plasma jusqu'à 150 millions de degrés celsius, ce qui déclenche la fusion. Le métal liquide qui englobe le plasma, chauffé par l'énergie dégagée par la réaction, est utilisée pour produire de la vapeur qui fait tourner des dynamos. Les centrales nucléaires actuelles utilisent la même méthode.

Cette approche de la fusion nucléaire a été proposée pour la première fois dans les années 70 par l'US Naval Research Laboratory dans le cadre d'un projet appelé LINUS. Depuis sa création en 2002, General Fusion s'efforce de parfaire ce concept à l'aide des dernières avancées technologiques. Les plans de l'entreprise sont élégants, mais elle n'est pas encore parvenue à créer un prototype fonctionnel.

Un réacteur à fusion adapté à une utilisation commerciale doit être capable de confiner et entretenir le plasma dont il dépend. Au coeur du Soleil, la gravité de l'étoile suffit à retenir le plasma ; sur Terre, même les matériaux les plus résistants sont incapables de tolérer les températures et les pressions générées par les machines à plasma des Laboratoires Sandia et General Fusion. Heureusement, il y a d'autres manières de procéder : Sandia utilise le champ magnétique créé lorsque la cible de combustible est frappée par une immense quantité d'énergie pour contrôler le plasma né de la réaction.

General Fusion utilise lui aussi des champs magnétiques forts pour contenir le plasma mais il ne les génère pas comme son concurrent. Au cours de son histoire, l'entreprise a essayé 15 designs d'injecteur de plasma différents. Il y a quelques mois, elle a annoncé qu'un modèle réduit expérimental, le SPECTOR, avait été capable de conserver du plasma assez longtemps pour permettre son intégration au système de compression.

General Fusion affirme qu'il parviendra à créer le premier prototype de réacteur à fusion d'ici trois à cinq ans. Ensuite, ses ingénieurs devront concevoir un réacteur capable de dégager plus d'énergie qu'il n'en consomme. Delange ne sait pas combien de temps cela prendra : "La question la plus difficile de toute cette histoire, c'est "Dans combien de temps ?", explique-t-il. Pour la fusion, c'est difficile de donner un pronostic. Les choses se présentent bien pour les quatre ou cinq prochaines années, c'est le temps qu'il nous faudra pour intégrer tous ces sous-systèmes à une machine unique."

Delange admet volontiers que le travail accompli par General Fusion dans le but de créer un réacteur commercial n'aurait pas été possible sans des décennies de recherche publique dans des laboratoires financés par le gouvernement. Reste à savoir si ce travail permettra vraiment d'aboutir à la création d'un réacteur productif et apte à rejoindre le réseau électrique.

Aujourd'hui, ces laboratoires pionniers continuent à étudier les applications de la fusion, mais pas vraiment la fusion elle-même. Pour Cuneo, ce genre de recherches est trop risqué et rapporte trop peu, surtout à une époque où les laboratoires subissent des coupes budgétaires. Cette frilosité pourrait également être liée au fait qu'un grand nombre de physiciens employés par le gouvernement pensent qu'essayer de créer un réacteur à fusion commercial à l'heure actuelle serait une grave erreur.

Pour contextualiser le problème, sachez qu'un seul laboratoire américain doté de moyens qui ridiculisent les start-ups les mieux financées a été capable d'atteindre l'équilibre scientifique avec la fusion. Nous sommes encore loin de l'équilibre d'ingénierie, et encore plus loin de la création d'un réacteur productif. Pour beaucoup, cela signifie que la construction d'une centrale à fusion est au mieux un objectif trop optimiste, au pire un projet voué au crash.

Pourtant, c'est précisément ce genre de risques qui attire les venture capitalists en quête d'un gros retour sur investissement. En 13 ans d'existence, General Fusion a empoché près de 100 millions de dollars grâce à des levées de fonds. À titre de comparaison, sachez que les Laboratoires Sandia ont un budget annuel de 111 millions de dollars. Dans le multivers start-up, un investissement de 100 millions de dollars est digne d'intérêt ; dans le multivers des start-ups de la fusion, c'est de la petite monnaie. Ces écarts de financement confèrent une aura particulière au travail accompli par General Fusion.

En dépit du fait que l'entreprise n'est pas encore parvenue à déclencher une réaction de fusion, les efforts qu'elle investit dans ses sous-systèmes pour réacteur ont été couronnés d'un succès remarquable au vu du budget dont elle dispose. Le prochain objectif de General Fusion est d'intégrer ces sous-systèmes pour créer un réacteur fonctionnel qu'il continuera à perfectionner jusqu'à ce qu'il atteigne les équilibres scientifique et d'ingénierie. Lorsqu'il sera capable de produire plus d'énergie qu'il en consomme, cette machine pourra être intégrée au réseau électrique.

Cependant, comme Cuneo et Delange l'ont fait remarquer, même cette étape majeure ne sera qu'un début. Il faudra sans doute de longues années avant que la fusion prenne une part majeure dans le régime énergétique du monde.

"Les transitions énergétiques prennent du temps, affirme Cuneo. Si, aujourd'hui, nous disposions d'une centrale à fusion nucléaire fonctionnelle, nous aurions besoin de 40 années de plus pour construire assez de centrales pour faire une différence. Rappelons que nous aurons sans doute besoin de 30 à 40 ans pour mettre au point une technologie de fusion valable."

De plus, même si nous parvenons à les mettre au point, les réacteurs à fusion ne seront peut-être pas ces sources d'énergie "propres et illimitées" que nous espérons. À l'heure actuelle, Sandia et General Fusion prévoient d'utiliser un carburant composé de deutérium et de tritium à parts égales. (Pour le moment, les laboratoires Sandia utilisent un carburant constitué à 99% de deutérium. Ils incorporeront de plus en plus de tritium au mélange dans les années à venir.) Ce mélange relâchera jusqu'à 90 fois plus de neutrons que du deutérium seul. De plus, ces particules seront quatre fois plus chargées en énergie que celles du deutérium seul.

Utilisé comme carburant à fusion, l'isotope de l'hydrogène le plus lourd qui soit produire beaucoup plus d'énergie que les expériences actuelles. Cependant, Cuneo n'est pas convaincu que cette substance sera totalement propre si elle était adoptée par un grand nombre de centrales à fusion. S'il est aisé de fabriquer du deutérium à partir d'eau de mer, fabriquer du tritium demande beaucoup de lithium. Aujourd'hui, il n'y a que 20 kilogrammes de tritium consommable sur Terre.

"Personne n'a jamais montré que le cycle du carburant pour fusion était clos, explique Cuneo. Si nous avions une économie de la fusion portée par un grand nombre de réacteurs, ce serait une économie du tritium. Nous devrions produire plus de tritium, avoir plus d'infrastructures, des kilomètres de pipelines comme quand nous avons is l'industrie du gaz naturel sur pied. Rien de tout ceci n'a été accompli à grande échelle pour le moment."

Du côté de General Fusion, un optimisme envahissant vis-à-vis du travail accompli sur le réacteur à fusion de l'entreprise balaye toute inquiétude vis-à-vis du futur. Cela peut sans doute être attribué au succès de General Fusion, mais aussi au fait que l'entreprise n'a pas le choix : elle doit être optimiste. La seule chose qui la maintient à flot est l'argent de ses investisseurs, parmi lesquels on trouve Jeff Bezos, le patron d'Amazon, et le gouvernement malaisien. Tous ces gens espèrent un retour sur investissement. La plupart des venture capitalist ne seraient pas très content d'attendre 50 ans avant de voir arriver les billets, ce qui signifie que General Fusion est lancé dans une course contre la montre. Si ses ingénieurs sont incapables de susciter une réaction de fusion et apporter des preuves de leur progrès, les investisseurs finiront par cesser de payer leurs frais.

"En terme d'énergie, les humains sont passés du charbon au gas puis à l'énergie nucléaire, éolienne et solaire, m'a expliqué Delange. La fusion sera une source d'énergie pour des milliers d'années. Nous pensons que nous arriverons à remplir notre mission de notre vivant."

Même si General Fusion échoue, des dizaines d'autre projets pour lesquels travaillent des milliers de scientifiques dans le monde entier sont également dans la course à l'énergie de la fusion. Dans le secteur privé, des entreprises comme Tri Alpha et Tokamak Energy sont parvenues à créer et contenir du plasma dans leurs réacteurs en utilisant des méthodes très différentes.

Le design de Tri Alpha repose sur la "colliding beam fusion", une méthode qui consiste à lancer des particules dans un accélérateur qui déclenchera la fusion en leur faisant atteindre des vitesses extrêmes. Tokamak Energy préfère utiliser un réacteur tokamak, une grande machine en force de donut qui utilise des aimants pour contenir un anneau de plasma.

Ces résultats sont impressionnants pour des entreprises privées. Pourtant, beaucoup de physiciens ont revu leurs espoirs à la baisse concernant l'ITER, le éacteur thermonucléaire expérimental international. Cette expérience sans précédent dure depuis plusieurs décennies et a déjà coûté plus de 50 milliards de dollars. L'ITER est un gigantesque tokamak qui a été proposé pour la première fois en 1985 pendant une rencontre de Ronald Reagan et Mikhail Gorbachev. Au cours des 30 dernières années, le développement de l'ITER a stagné à cause de nombreux problèmes de financement et de conflits entre ses différents colaborateurs nationaux.

L'ITER est en construction depuis 2013. 14 milliards de dollars ont déjà été investis dans le chantier. Les expériences de confinement du plasma doivent commencer en 2025. Les défenseurs du projets affirment que l'ITER sera capable de produire jusqu'à 500 megawatts d'énergie au cours de sessions longues de 50 minutes tout au plus. C'est un objectif osé : pour le moment, le record d'énergie généré par la fusion est de 16 megawatts. Il a été décroché par le réacteur anglais JET en 1997. Le record de la durée de fonctionnement d'une enceinte de confinement , 6 minutes et 30 secondes, est détenu depuis 2003 par le Tore Supra français.

En dépit de l'ampleur du défi, Cuneo pense que la course à l'énergie de la fusion vaut la peine d'être courue, même dans le secteur privé.

"C'est difficile de ne pas se sentir découragé ou de devenir cynique lorsqu'on pense aux durées avec lesquelles nous travaillons, m'a-t-il affirmé. En tout cas, tout ce que nous pouvons faire de propre et d'intéressant pour l'humanité vaut la peine d'être fait, même à notre échelle. La fusion est une technique difficile. Je pense que nous avons le devoir d'étudier toutes les manières d'y parvenir."