Fusion nucléaire : en 2025 ITER produira son premier plasma

Bernard Bigot, le directeur général d’ITER lors de son intervention.

Merci beaucoup de m’avoir invité à participer à la conférence internationale de l’Institut Schiller. Je suis très heureux de vous présenter le projet ITER qui vise à démontrer qu’à l’avenir, la fusion de l’hydrogène peut devenir une option pour l’approvisionnement énergétique mondial.

Comme vous le voyez sur la diapositive derrière moi, le site ITER abrite déjà différents bâtiments et équipements en cours de construction et d’installation. Ce grand projet est gouverné par 35 pays différents et sept grands partenaires.

Les enjeux

Tout le monde sait que nous atteignons une limite pour les combustibles fossiles que nous utilisons maintenant depuis plus de 150 ans. Et les alternatives sont limitées. Nous devons nous appuyer sur certains phénomènes physiques bien connus.

• Il y a les énergies renouvelables qui sont assez intéressantes, mais à mon avis c’est une solution partielle, à cause de leurs faibles densités de puissance et de leur nature intermittente inappropriée pour les grandes concentrations de population. Les méga-cités d’aujourd’hui nécessitent une production massive d’énergie qui doit être prévisible ;
• La fission nucléaire est également une option, certainement. Cependant, elle présente aussi des inconvénients et des limitations car les ressources en uranium ne sont pas infinies.

Mettre le soleil en bouteille

Nous devons donc trouver une autre solution, une autre option. Voyons ce qui se passe dans l’univers. Dans l’univers, la façon la plus commune pour produire de l’énergie est la fusion de l’hydrogène comme dans le Soleil et dans les étoiles.

Le Soleil, comme vous le savez peut-être, n’est qu’une grosse bulle d’hydrogène, mais dont le poids est 300 000 fois supérieur à celui de la Terre. Et au centre du Soleil, il y a un plasma très chaud de 15 millions de degrés (Celsius), un plasma de haute densité qui fusionne l’hydrogène et produit de l’énergie. Comment cela se passe-t-il ? La compression des noyaux d’hydrogène les rapproche de plus en plus et, à très courte distance, ils fusionnent en produisant deux nouvelles particules : des neutrons et de l’hélium. Celles-ci sont projetées avec beaucoup d’énergie.

Sur Terre, vous imaginez bien qu’on ne peut pas produire de l’énergie de la même manière. Nos physiciens ont imaginé une autre solution qui consiste à utiliser un plasma de très faible densité, mais à une température plus élevée. 150 millions de degrés, soit dix fois la température du cœur du Soleil. Si ces conditions sont remplies, vous pouvez accélérer les noyaux d’hydrogène de telle sorte qu’ils atteignent une vitesse très élevée et, une fois qu’ils entrent en collision, ils ont une forte probabilité de fusionner et de produire de nouvelles particules : les mêmes noyaux d’hélium que précédemment ainsi que les neutrons.

Comme vous le voyez sur cette diapositive, l’énergie des noyaux d’hélium est cinq fois supérieure à celle des éléments qui entrent en collision, et celle des neutrons leur est 20 fois supérieure. Ces deux particules (neutrons et hélium) vont chauffer la paroi et convertir leur énergie cinétique en chaleur. C’est ainsi que nous pouvons produire de l’énergie avec la fusion de l’hydrogène. Le point positif est qu’il y a une très grande densité d’énergie dans ce phénomène, puisque un gramme de combustible de fusion équivaut à huit tonnes de pétrole.

Les avantages de la fusion

Cette technologie présente de très grands avantages, car :

• Elle peut constituer une source d’énergie abondante, prévisible et potentiellement continue ou même variable, complémentaire pour les énergies renouvelables ;
• La sécurité est grande, car il n’y a que deux grammes d’hydrogène à tout moment dans le réacteur. Et si un paramètre quelconque s’écarte des valeurs « normales », la réaction s’arrête tout simplement ;
• Elle est également respectueuse de l’environnement, car nous ne produisons que de l’hélium qui est faiblement actif sur le plan chimique et non radioactif ;
• Il existe des réserves quasi-illimitées en combustible pour des centaines de millions d’années, reparties sur l’ensemble du globe ;
• Elle n’a aucun impact sur le climat, puisque qu’il n’y a aucune émission de gaz à effet de serre ;
• Elle ne génère aucune matière radioactive de haute activité et de longue durée, à part une toute petite quantité provenant du tritium et de certaines parties activées des parois du réacteur.

La mission d’ITER

La mission d’ITER est donc relativement simple :

• Démontrer la faisabilité scientifique et technologique de l’énergie de fusion à des fins pacifiques ;
• Pour cela, produire un plasma, comme je l’ai dit, à 150 millions de degrés ;
• Obtenir un rendement supérieur à un facteur de dix, c’est-à-dire injecter 50 MW dans le plasma pour obtenir 500 MW à la sortie.

La taille croissante du volume des différents Tokamak : Tore-Supra (Cadérache, France), le JET (Culham, RU), ITER (Saint-Paul-lez-Durance, France)

ITER a fait le pari de la taille, car nous sommes nombreux à estimer que la taille compte. Comme vous le voyez, à ce jour le record mondial de puissance pour une réaction de fusion revient à JET (Joint European Torus, à Culham au Royaume-Uni), dont le volume est de 80 m3. ITER sera dix fois plus grand (830 m3). La puissance électrique que vous injectez dans le plasma du JET est de l’ordre de 23 MW, mais vous ne produisez que 16 MW à la sortie, soit un rendement inférieur à 1, ce qui n’est pas très intéressant. Pour ITER, l’énergie injectée sera proche du double (50 MW) et la puissance obtenue (500 MW) sera plus de trente fois supérieure à celle qu’on tire du JET (16 MW). La taille est donc très importante, ce qui rend cette option un peu plus compliquée que d’autres.

Comment obtenir cette collision à 150 millions de degrés (Celsius) avec des particules se déplaçant à une très grande vitesse ? On fait appel à ce que nous appelons des « forces magnétiques ». Pas les forces gravitationnelles comme dans le Soleil et les étoiles, mais des « forces magnétiques ». Je suis sûr que vous vous souvenez que lorsqu’une particule électrique se trouve à proximité d’un champ magnétique, la particule est capturée par le champ magnétique et accélère continuellement, tournant autour de la ligne de champ magnétique.

C’est pourquoi nous devons assembler d’énormes cages magnétiques. Avec 18 bobines verticales, 6 horizontales et le solénoïde central, elles font environ 20 mètres de large et 20 mètres de haut. On a besoin d’une très grande précision afin que la particule puisse circuler très efficacement sur la ligne de champ magnétique circulaire. C’est pourquoi nous devons positionner l’axe des cages magnétiques avec une précision inférieure au millimètre, par rapport à l’axe de la chambre à vide qui porte le nom de tokamak.

35 partenaires

Les drapeaux des sept membres d’ITER flottent sur le site d’installation.

Ainsi, c’est en raison des défis que représentent la taille et la complexité, que les pays membres de l’UE (Euratom) et 6 grands pays (Chine, Russie, Inde, États-Unis, Japon et Corée) se sont associés pour démontrer la faisabilité de la fusion de l’hydrogène. Un accord important a été conclu en 2005 entre les sept partenaires et l’accord ITER a été signé en novembre 2006 à l’Elysée, à Paris. Ensemble, les sept membres d’ITER représentent plus de 50 % de la population mondiale et environ 85 % du PIB mondial.

Parce que tous les membres sont réellement convaincus que la fusion de l’hydrogène pourrait être une percée pour l’avenir de l’approvisionnement énergétique mondial, chacun paie sa contribution « en nature » pour le projet en produisant divers composants de l’équipement. Dans ces conditions, chaque pays a pu mobiliser le meilleur de ses industries pour démontrer la faisabilité et la capacité de fabrication des grands composants tels que les bobines magnétiques, la chambre à vide et tous les autres équipements.

C’est un gros défi d’atteindre les qualités requises. C’est pourquoi nous avons besoin d’une planification sur le long terme. En 2015, après une révision approfondie du projet, nous avons décidé d’avancer avec un calendrier qui devrait nous permettre d’avoir le premier plasma en 2025. Après avoir reçu les derniers composants dans les années qui viennent, nous prévoyons de les assembler avant la fin de 2024. Avec au bout de la chaîne le premier plasma en 2025. Ensuite, nous aurons ce qu’on appelle une « approche par étapes » vers la pleine puissance de fusion avec notre combustible particulier de deutérium/tritium. Nous avons planifié une séquence pour installer des équipements complémentaires pour collecter l’énergie ; pour chauffer le plasma de manière plus efficace en ajustant le champ magnétique ; et pour recycler le combustible qui aura été fusionné dans le tokamak.

L’assemblage a commencé

La complexité de la gestion d’ITER, est directement liée au mécanisme des contributions « en nature » sous forme de composants fabriqués par chaque membre, ainsi qu’à l’exigence que les membres d’ITER partagent toutes les propriétés intellectuelles des recherches.

Voici une coupe transversale du tokamak montrant la chambre à vide, un tore encastré dans les cages magnétiques et les différents composants qui seront dans ce que nous appelons le cryostat. Pour profiter pleinement de la supraconductivité, cette enceinte permet de refroidir les aimants à moins 270 degrés Celsius.

Qui fabrique quoi pour ITER ?

Crédit : ITER

De grands progrès ont été fait lors de la fabrication de toutes ces pièces :

• De Chine, nous venons de recevoir ce que nous appelons la « bobine de champ poloïdal ». Cette bobine, après vérifications, sera positionnée dans le tokamak ;
• L’Inde vient d’achever la construction du « couvercle supérieur » du tokamak. Cette pièce sera expédiée vers le site d’ITER ;
• Le Japon livrera également les bobines de la cage, les bobines de champ vertical que j’ai déjà mentionnées ;
• L’Europe produit également des pièces pour la chambre à vide ainsi que la Corée. Nous venons de réceptionner en toute sécurité le premier des neuf secteurs de la chambre à vide. Il est entièrement conforme aux exigences ;
• Les États-Unis et la Russie fourniront également certains matériaux.

Par ailleurs, les plus grandes pièces qui n’auraient pas pu être transportées, sont en cours de fabrication sur le site d’ITER. Il s’agit de quatre « bobines de champ poloïdal » dont la plus grande a un diamètre de 24 mètres. Il n’était pas envisageable de les transporter depuis un autre pays.

Ainsi, au cours de ce dernier mois, nous avons eu l’arrivée assez massive de nombreux composants. Certaines bobines et de nombreux équipements sont maintenant sur place et ils sont prêts à être assemblés. Évidemment, cela implique que nos travaux de génie civil soient prêts à accueillir les équipements, ce qui est le cas. On estime que 70 % des travaux sont terminés. Et comme nous progressons assez bien ces cinq derniers mois, nous pensons que nous sommes toujours en bonne voie pour atteindre l’objectif ambitieux du premier plasma en 2025.

La base du cryostat.

Cet été, nous avons déplacé ce que nous appelons la « base du cryostat » ainsi que les cylindres inférieurs et supérieurs, qui sont de grandes boîtes de 30 mètres de diamètre et de 30 mètres de hauteur, vers « le puits » du tokamak, c’est-à-dire le bâtiment où le plasma sera créé. Le 31 août, une très grande pièce, la « base du cryostat », a été soulevée à près de 50 mètres au-dessus du sol et posée sur les fondations du tokamak. Très impressionnant, et un grand défi en raison de la grande taille et de la précision de son positionnement, à 5 millimètres près.

Donc, les choses avancent bien. Nous attaquons le premier pré-assemblage – le pré-assemblage de la chambre à vide sur le site, ainsi que les bobines de champ toroïdal avec la chaîne d’assemblage – et nous mettons en œuvre ces différentes séquences en nous assurant d’avoir un niveau de qualité irréprochable.

J’espère vous avoir convaincu que la fusion de l’hydrogène est en passe de devenir une vraie option pour l’approvisionnement énergétique mondial.

S’il y a un grand avantage et encore beaucoup de défis à relever, nous pensons qu’il est possible, après la production d’un premier plasma en 2025, de passer à la pleine puissance de fusion dix ans plus tard, en 2035, et d’ici 2040-2050, d’avoir fait la démonstration que les États pourront envisager l’utilisation commerciale de cette technologie. Notamment pour remplacer la grande consommation actuelle de combustibles fossiles et ainsi produire une énergie s’ajoutant aux énergies renouvelables.

En effet, ces deux technologies pourraient très bien se compléter l’une l’autre. L’une (l’atomique) est massive, prévisible, et l’autre (éolien, photovoltaïque), comme vous le savez tous, est diffuse et intermittente. Grâce à la fusion, on aura donc une option pour l’avenir.