David Madore's WebLog: Production d'énergie et fusion thermonucléaire

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(mardi) · Pleine Lune

Production d'énergie et fusion thermonucléaire

J'ai assisté ce midi à la fac d'Orsay à un « café-débat » consacré cette semaine à la fusion contrôlée et notamment au projet ITER. C'était très intéressant parce que d'une part la fusion est quelque chose qui m'intéresse beaucoup, et d'autre part les participants du débat étaient pour l'essentiel des physiciens (et même des gens proches de la physique des plasmas) donc le débat volait plutôt haut, scientifiquement parlant. L'exposant était Yves Pomeau (directeur du laboratoire de physique statistique de l'ENS et membre de l'Académie des sciences).

Je suis assez inquiet quant à l'avenir énergétique de l'humanité. Les énergies fossiles ne dureront pas longtemps (même si les réserves de pétrole ont l'air de s'étendre magiquement à mesure qu'on les consomme, on ne peut pas espérer que cela dure éternellement quand on est en train de consommer en des années ce que le carbonifère a mis des millions d'années à fabriquer). La fission — le nucléaire actuel, donc — me semble encore ce qu'on a de mieux (certes, elle produit des déchets radioactifs, mais finalement ils me semblent nettement moins dangereux écologiquement que la contribution à l'effet de serre des carburants fossiles ; je ne comprends pas pourquoi les écologistes dénigrent à ce point les centrales à fission, qui ne sont certes pas la panacée mais qui me paraissent un moindre mal comparées aux centrales thermiques). Les énergies dites renouvelables ne présentent pour le moment pas le moindre début de commencement d'espoir de pouvoir un jour servir à une échelle non infinitésimale (et il est faux qu'elles sont non polluantes : le photovoltaïque est très polluant à la fabrication des cellules qui, par ailleurs, s'usent rapidement, et les éoliennes dénaturent gravement le paysage et provoquent des nuisances lumineuses et sonores absolument non négligeables). Reste la fusion thermonucléaire contrôlée, ce dont il est question ici, mais dans le meilleur des cas elle ne sera pas disponible avant cinquante ans, et plus probablement cent (les mauvaises langues disent que cela fait cinquante ans que la fusion est pour dans cinquante ans : mais les cinquante ans étaient sous condition de subventions substantielles, qui jusqu'à présent n'ont pas été accordées).

Les scientifiques sont souvent méfiants vis-à-vis d'ITER, précisément parce qu'il coûte cher (quelque chose comme 20G€ — je veux dire vingt milliards d'euros ; ceci dit, ça ne doit pas être si énorme que ça comparé à des dépenses de l'industrie pharmaceutique) et on a peur que cela se fasse au détriment d'autres projets scientifiques. Reste que si c'est l'avenir énergétique de l'humanité qui est en jeu, cela me semble valoir un effort. Un autre problème, en revanche, qui a été souligné lors de ce débat, c'est qu'ITER ne se focalise que sur les difficultés de type « physique des plasmas », à l'exclusion de toutes autres considérations (notamment « physique des matériaux »).

Rappelons que le principe de la fusion thermonucléaire est de produire des plus gros atomes à partir de plus petits, en libérant de l'énergie au cours du processus (alors que la fission casse des atomes lourds en libérant de l'énergie). Les étoiles, le Soleil par exemple, réalisent la fusion de l'hydrogène (dans ce qui s'appelle le cycle de Bethe), mais il est question ici de la fusion d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, qui se combinent pour donner un hélium et un neutron. (Telle quelle, la fusion des étoiles n'est pas utilisable comme source d'énergie sur Terre : il s'y produit de l'ordre de grandeur d'une réaction thermonucléaire par seconde et par litre de plasma, ce qui ne représente pas une source d'énergie suffisante pour être utile.) Pour se faire une idée des paramètres opérationnels, le plasma de deutérium et de tritium doit être porté à quelque chose comme 50MK (cinquante millions de degrés) ; dans le cas d'ITER, le tokamak (le tore dans lequel se déroule la fusion, et où le plasma est maintenu par confinement magnétique) a un volume de l'ordre de 1000m³, et il y a quelques kilos de plasma dedans. (J'espère avoir bien retenu ces quelques ordres de grandeur, qui m'ont semblé intéressants, de ce qui a été dit.)

Évidemment, maintenir confinés quelques kilos d'un plasma à cinquante millions de degrés, même dans 1000m³, ce n'est pas la chose la plus facile au monde. Il se produit notamment toutes sortes de problèmes d'instabilité dans le plasma. Rajoutons que les parois ne doivent pas se désagréger car des atomes lourds pollueraient le plasma et nuiraient à l'efficacité de la fusion, et qu'inversement le plasma ne doit surtout pas atteindre les parois (elles sont très fragiles et coûtent une fortune à remplacer). Le confinement magnétique est réalisé par des aimants supraconducteurs qui doivent être maintenus à une température proche du zéro absolu et baignent dans de l'hélium superfluide. Et pour couronner le tout, le tritium est un produit radioactif qui n'existe pas dans la nature, il faut le produire, vraisemblablement en bombardant du lithium avec des neutrons, lesquels sont produits par la réaction elle-même, mais cela signifie que les murs du réacteur doivent être parcourus par du lithium liquide, cela n'arrange pas les choses. Et enfin, il faut récupérer d'une façon ou d'une autre l'énergie produite par le réacteur. Bref, les difficultés ne manquent pas.

Il y en a certaines qu'on pense savoir résoudre, cependant. La stabilisation du plasma est un problème bien étudié, et qui ne devrait pas être insurmontable — c'est essentiellement cela qu'ITER est chargé d'étudier. La réalisation d'électro-aimants supraconducteurs capables de produire le champ confinant, mais aussi de résister mécaniquement aux forces de Lorentz exercées sur eux, devraitre difficile mais résoluble. La production du tritium à partir du lithium n'est pas trop difficile non plus (il y a des mécanismes pour multiplier les neutrons produits par la réaction et les faire absorber par le lithium), paraît-il, même si là des problèmes politiques peuvent se poser (le tritium entre dans la fabrication des armes nucléaires, et les Chinois, par exemple, ne veulent pas que les Japonais en aient — ou quelque chose de ce genre). Apparemment, on sait sans trop de mal capter l'énergie produite par le réacteur (sous forme de rayons X), au moins dans une certaine limite (on a avancé le chiffre de 20MW/m²). Il y a aussi des stratégies pour récupérer l'hélium produit par la réaction, ce genre de choses. D'après l'orateur, le principal problème, pour lequel on n'a encore aucune solution ni même idée de solution, est celui de la dégradation des parois par l'effet de l'impact des neutrons : ceux-ci détruisent les atomes et les transforment essentiellement en hélium, et les micro-bulles d'hélium ainsi formées dans la masse du matériau en altèrent gravement la solidité (or dans le cas d'un réacteur industriel il faudra compter de l'ordre de cinq ans sans remplacer les parois si on veut espérer qu'il soit rentable). Déjà pour les centrales à fission, les problèmes pour trouver les bons matériaux n'ont pas été minces, et les neutrons en question sont autour de cinquante fois moins énergétiques, et nettement moins nombreux, que ceux émis par un réacteur à fusion (qui tournent dans les 15MeV). Ce problème ne se pose pas pour ITER (qui n'aura pas un fonctionnement continu assez long pour observer une dégradation significative des parois), mais il faudra un jour le résoudre si on veut espérer produire effectivement de l'énergie par fusion.

Enfin, il y a la question des déchets. En principe, la fusion est propre, c'est-à-dire nettement plus que la fission : le principal produit radioactif est du tritium, qui est réutilisé par le réacteur lui-même, et l'ensemble des déchets est censé être des atomes légers à durée de vie courte ; le principal produit de la réaction est tout simplement de l'hélium. En pratique, cela est moins sûr, par exemple parce qu'il faudra peut-être utiliser un alliage lithium-plomb pour récupérer les neutrons.

Bref, tout cela est bien inquiétant quant à nos perspectives dans cette direction.

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