Physique Les scietifiques rêvet de maîtriser la fusio ucléaire le moteur des étoiles, qui promet de l éergie iépuisable et propre. Mais même si ue étape historique devrait être bietôt frachie, certais cosidèret le projet comme utopique ou prématuré. L allumage, ou igitio, est proche. Das mois de deux as, à Livermore, e Califorie, les 192 faisceaux laser du NIF cocetrerot leur éorme puissace sur ue pastille sphérique de quelques millimètres. Le NIF, ou Natioal Igitio Facility (Istallatio atioale pour l igitio), est le résultat de 13 as d efforts et de quatre milliards de dollars d ivestissemet. Il est comparable au LMJ fraçais, le Laser Mégajoule, e costructio à Le Barp, au Sud de Bordeaux. Ces deux équipemets sot coçus pour que les faisceaux laser comprimet fortemet le coteu d u microballo des isotopes de l hydrogèe, à savoir du deutérium et du tritium au poit de faire fusioer les oyaux atomiques et libérer aisi de l éergie (voir aussi l article page 36). E d autres termes, l idée est de créer das des coditios cotrôlées ue bombeh miiature pour exploiter l éergie de l explosio. Cela a déjà été testé, et avec succès. Mais jusqu ici, les scietifiques devaiet fourir plus d éergie pour les tirs de laser que la fusio ucléaire e produisait Cela devrait chager avec l etrée e actio du NIF : la fusio du cetre de la cible produira plus d éergie que les lasers e aurot apporté. Ue étape importate aura alors été frachie. Michael Moyer E théorie, le surplus d éergie pourrait être utilisé pour alimeter ue cetrale productrice d électricité. Le deutérium, combustible écessaire à ue telle cetrale exploitat la fusio ucléaire, serait extrait de l eau de mer, et il y aurait i émissios atmosphériques i déchets ucléaires Tout se passerait comme si l o avait capturé ue petite étoile afi de faire marcher les machies sur Terre, et cela sas craidre ue péurie d éergie. Lasers ou champs magétiques La costructio d ue autre istallatio majeure pour la fusio ucléaire bat so plei à Cadarache, au Nord d Aixe-Provece : ITER (Iteratioal Thermouclear Experimetal Reactor). Das cette istallatio dot le coût est estimé à ue dizaie de milliards d euros (costructio et foctioemet durat plus de 20 as), les composats essetiels e sot pas des lasers. Des aimats supracoducteurs assurerot le cofiemet du mélage d isotopes de l hydrogèe, qui sera chauffé à quelque 150 millios de degrés, soit 25 000 fois la température régat à la surface du Soleil. ITER est aussi cesé produire plus d éergie qu il e cosomme. De Lawrece Livermore Natioal Laboratory 28] Physique Pour la Sciece - 392 - Jui 2010
DANS LA CHAMBRE DE RÉACTION du NIF, e Califorie, 192 faisceaux laser cocetrerot leurs impulsios sur ue toute petite capsule remplie d u mélage d isotopes de l hydrogèe (cette cible est teue par l extrémité du bras e forme de crayo). Ue brève et explosive fusio des oyaux d hydrogèe e résultera. Quad la réactio produira plus d éergie que celle fourie par les lasers, o aura frachi ue étape importate vers le cotrôle de la fusio ucléaire. Pour la Sciece - 392 - Jui 2010 Physique [29
L ESSENTIEL La fusio d isotopes de l hydrogèe est sur le poit d être efi réalisée avec u gai d éergie : c est ue étape essetielle vers la domesticatio de l éergie des étoiles. E maîtrisat l éergie e excès produite, o pourrait cocevoir des cetrales électriques révolutioaires, fodées sur la fusio thermoucléaire. Toutefois, les chercheurs igoret pas l ampleur des défis techiques à relever avat que l o puisse costruire ue première cetrale à fusio. plus, à la différece des tirs itermittets des systèmes à laser, les champs magétiques d ITER maitiedrot le plasma chaud (le gaz ioisé de deutérium et de tritium) e cofiemet plus cotiu, durat des dizaies ou des cetaies de secodes (voir l article page 44). Cepedat, l igitio du combustible ucléaire pourrait être que la partie facile du cotrôle de la fusio ucléaire. Les experts de la recherche sur la fusio recoaisset de plus e plus que les défis de la costructio et du foctioemet d ue cetrale à fusio pourraiet être bie plus difficiles à relever. Certais physicies qui e sot pas directemet impliqués das les recherches sur la fusio se demadet même si l objectif est réalisable, même e théorie. U réacteur opératioel devrait être fait de matériaux capables de résister des aées durat à des températures de plusieurs millios de degrés. O assisterait à ue irradiatio permaete de particules de haute éergie, coditios qui redet les matériaux ordiaires friables et radioactifs. Il faudra aussi que le réacteur produise so propre tritium, l u des deux composats du combustible, par u procédé complexe. Et afi de s itégrer utilemet au réseau électrique, ue telle cetrale devra foctioer de faço permaete, sas iterruptios i icidets, pedat des déceies. «L attitude répadue a cosisté à admettre l existece de difficultés, mais à les cosidérer comme des problèmes surmotables, que l o réglerait après s être d abord cocetré sur la fusio elle-même, soulige Richard Hazeltie, directeur de l Istitut des études sur la fusio à l Uiversité du Texas à Austi. Il se peut que cela ait été ue erreur.» L éergie des étoiles La fusio ou plutôt l igorace de ce phéomèe décocerte les scietifiques depuis les aées 1860 au mois. Pour expliquer l icroyable diversité de la vie sur Terre, la théorie de Charles Darwi sur l évolutio des espèces par sélectio aturelle suppose que de tout petits chagemets se sot accumulés durat des cetaies de millios d aées. Or les calculs de l émiet physicie britaique William Thomso (lord Kelvi) suggéraiet que l âge du Soleil e pouvait guère excéder quelques dizaies de millios d aées. Comme le racote l auteur américai Charles Seife das so livre de 2008 Su i a bottle, Darwi voyait la critique de Thomso comme FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL (PAR LASER) Créatio d ue impulsio laser Liges amplificatrices Chambre de réactio Do Foley Le NIF (Natioal Igitio Facility) américai, comme le LMJ fraçais et le futur projet europée HiPER, costitue u éorme amplificateur de lumière laser. La plus grade partie de l istallatio est occupée par 192 liges de faisceau qui, à partir d ue faible impulsio laser iitiale, multipliet so itesité u grad ombre de fois. Les faisceaux laser amplifiés coverget, à l itérieur d ue chambre de réactio, vers u cylidre d or coteat la cible, u mélage de deutérium et de tritium. 30] Physique Pour la Sciece - 392 - Jui 2010
l ue des pricipales difficultés de sa théorie. Il répliquait u peu maladroitemet que la coaissace des lois du cosmos était si icomplète que les scietifiques devraiet réserver leur jugemet. Darwi avait raiso. Quelque 70 as de plus passèret avat que les physicies e développet les outils coceptuels écessaires pour compredre ce qui fait briller le Soleil. Vers 1930, les physicies savaiet que toute la matière est faite d atomes, qui ot u oyau costitué de protos chargés positivemet et de eutros o chargés (l hydrogèe est la seule exceptio so oyau est formé d u seul et uique proto). Albert Eistei avait démotré, via sa fameuse formule E = mc 2, que la masse peut se trasformer e éergie. Et les études spectroscopiques ot motré que le Soleil est pas costitué de roche fodue, comme l avait supposé Kelvi, mais essetiellemet d hydrogèe et d u peu d hélium. E 1938, Has Bethe, physicie d origie allemade, comprit que la pressio au cetre du Soleil est si élevée que les oyaux d hydrogèe y sot tassés au poit de vaicre la répulsio etre charges électriques de même sige. Bethe écrivit la Bloc de verre amplificateur Lampe flash réactio e quatre étapes par laquelle les oyaux d hydrogèe fusioet. Les produits fiaux de cette réactio de fusio sot u peu plus légers que les igrédiets iitiaux ; la masse maquate se retrouve sous forme d éergie, qui alimete le Soleil. Haute pressio et haute température Cette réactio e chaîe, complexe, exige des pressios et des températures qui existet qu au cœur des étoiles. Ue voie u peu plus facile pour iduire la fusio met e jeu deux isotopes de l hydrogèe: le deutérium (D, oyau formé d u proto et d u eutro) et le tritium (T, oyau formé d u proto et de deux eutros). La fusio d u oyau de deutérium et d u de tritium produit u oyau d hélium (deux protos, deux eutros) e libérat u eutro et ue certaie quatité d éergie. Cette réactio de fusio etre le deutérium et le tritium est mois exigeate e termes de température et de pressio que la fusio de oyaux d hydrogèe, mais elle libère tout de même beaucoup d éergie. Si les scietifiques parveaiet à déclecher la fusio ucléaire de faço cotrôlée, les problèmes d éergie seraiet résolus. Le combustible est abodat : o LA RÉACTION DEUTÉRIUM-TRITIUM E forçat des oyaux de deutérium (D) et de tritium (T) à se rapprocher suffisammet, via de très hautes températures et pressios, la répulsio électromagétique qui s exerce etre eux est surmotée et les oyaux fusioet. La réactio deutérium-tritium produit u oyau d hélium, u eutro et u surplus d éergie, sous la forme d éergie ciétique des particules produites, c est-à-dire de chaleur. Jessica Huppi Noyau de deutérium p p Noyau d hélium p Éergie Noyau de tritium p Neutro ➋ AMPLIFICATEUR DE FAISCEAU LASER Ue petite impulsio laser ayat été scidée et evoyée à travers des préamplificateurs, elle passe à travers des verres amplificateurs. Des lampes flash au xéo excitet le éodyme coteu das le verre amplificateur ; l éergie aisi déposée das le verre amplificateur est trasmise au faisceau laser lors de so passage. L impulsio laser gage aisi 25 pour cet d éergie à chaque passage, et chaque faisceau est soumis à 52 passages successifs. Faisceau ultraviolet Cylidre creux e or Cible Rayos X ➊ VERS LA CIBLE Lorsque le faisceau laser etre das la chambre de réactio, des cristaux triplet sa fréquece lumieuse pour le faire passer du rouge (couleur mois destructrice pour les dispositifs optiques) à l ultraviolet, plus efficace pour iduire la fusio. Chambre de réactio ➌ IGNITION Au cetre de la chambre de réactio, les faisceaux sot dirigés sur les parois iteres de la cavité e or, qui réagit e émettat des rayos X de haute éergie. Ce rayoemet détruit l eveloppe de la cible et comprime so coteu au poit de lui faire atteidre 100 fois la desité du plomb, et de le chauffer à 100 millios de degrés. Cette brusque augmetatio de la pressio et de la température décleche la fusio. Pour la Sciece - 392 - Jui 2010 Physique [31
trouve du deutérium das l eau de mer, tadis que le tritium peut être egedré au sei d u réacteur. Et, au cotraire de la fissio, la fusio e crée pas de sous-produits radioactifs à logue durée de vie, c est-à-dire des déchets ucléaires. E théorie, les 3,3 grammes de deutérium coteus das 100 litres d eau de mer représetet autat d éergie que 660 toes de pétrole, et le seul rejet cosisterait e ue bouffée d hélium. Les premiers cocepts de réacteur à fusio sot apparus au début des aées 1950. Lyma Spitzer, de l Uiversité de Priceto, calcula que so «stellarator» (du lati stella pour étoile) produirait ue puissace de 150 mégawatts, de quoi alimeter 150000 foyers. Le dispositif qu il avait imagié était fodé sur le fait qu aux hautes températures écessaires pour la fusio, tous les électros sot arrachés de leurs atomes. La soupe de particules chargées aisi formée, ommée plasma, peut être maiteue sous cotrôle grâce à u champ magétique. Pour l essetiel, le stellarator de Spitzer cosistait doc e ue bouteille magétique capable de cofier le plasma, même s il était chauffé à des millios de degrés. O parle de «cofiemet magétique». Pour autat, Spitzer et ses successeurs avaiet pas ue très boe compréhesio du comportemet des plasmas. Ils se rediret vite compte que les plasmas e se comportet pas bie du tout. Imagiez u gros ballo e époge. Essayez de le comprimer le plus possible. Quelle que soit la faço dot vous vous y preez, ue partie de l époge s échappera toujours etre vos doigts. Le plasma a ce même comportemet : quad o essaye de le cocetrer das u volume assez petit pour y iduire la fusio, le plasma trouve le moye de s e échapper. C est l obstacle auquel sot cofrotés tous les pricipes de réacteurs à fusio : plus o chauffe et plus o cocetre u plasma, plus il oppose de résistace aux efforts de cofiemet. Les scietifiques se sot démeés durat 60 as pour cotrôler les plasmas e utilisat des bouteilles magétiques de plus e plus grades. Et chaque fois que l o iaugurait ue machie améliorée, coçue pour corriger les faiblesses de la précédete, les éergies supérieures atteites révélaiet ue ouvelle série de difficultés. «Peu importe ce que vous e faites, les plasmas restet toujours u peu FUSION PAR CONFINEMENT MAGNÉTIQUE U tokamak, eceite e forme de tore, est u dispositif destié à déclecher la fusio au sei d u plasma de deutérium et de tritium piégé magétiquemet. Le plasma, très chaud, est maiteu cofié et à distace des parois grâce à des champs magétiques créés par de puissats électroaimats, tadis que des faisceaux de micro-odes et de particules le chauffet à quelque 150 millios de degrés. Au cotraire de la fusio par cofiemet iertiel, le procédé est pas discotiu. L ambitio du projet ITER (schéma de so tokamak ci-dessous) est d etreteir la fusio durat plusieurs cetaies de secodes. Cryostat Aimats istables», soulige Charles Baker, acie directeur des programmes de recherche sur la fusio des laboratoires atioaux d Argoe et d Oak Ridge, et actuellemet présidet du Comité cosultatif techique américai pour ITER. La crise éergétique des aées 1970 a aussi vu la aissace d ue ouvelle voie de recherche sur la fusio cotrôlée, celle du «cofiemet iertiel». Gager plus d éergie que l o e fourit Cette approche cosiste à utiliser ue multitude de faisceaux laser pour comprimer et chauffer ue cible de deutérium et tritium. Ces essais, réalisés au Laboratoire atioal Lawrece Livermore, siège du programme militaire américai lié à la fusio, ot débuté avec u dispositif à deux faisceaux. Des progrès sur la puissace des lasers ot coduit e 1977 à Shiva (le om du dieu hidou de la créatio et de la destructio), puis à Nova e 1984. Chacu de ces programmes de recherche a pulvérisé le record modial de puissace pour des Eceite torique coteat le plasma Dispositifs de chauffage du plasma impulsios laser. Mais, comme das l approche par cofiemet magétique, o a pas pu atteidre le seuil de productio d éergie, celui à partir duquel la fusio produit plus d éergie que les lasers e fourisset. Pour y parveir, le Laboratoire de Livermore avait besoi d u laser 70 fois plus puissat que les précédets. Et e 1997, la costructio du NIF débuta. De l extérieur, le NIF a rie d impressioat. Ce bâtimet sas feêtres, peit d u beige eutre, a eviro la taille d u hagar pour avios. Comme das tout équipemet de sciece lourde, tel le grad collisioeur LHC au CERN, c est la partie efouie de l istallatio qui ispire le respect. À l itérieur, des dizaies de tubes larges de u mètre sot déployés ; ils coduiset à la chambre de réactio, ue sphère haute de trois étages garie de trous pour faire passer les lasers. Au cetre de cette chambre se trouve la cible de deutérium-tritium, maiteue par ce qui ressemble à u gigatesque stylo. Les faisceaux laser serot focalisés vers la cible avec ue précisio micrométrique. Cette cible sera comprimée par ITER Orgaizatio 32] Physique Pour la Sciece - 392 - Jui 2010
des impulsios dot la puissace totale durat ue petite fractio de secode dépassera de loi celle de tout le réseau électrique américai. Bie que le NIF soit coçu pour atteidre le seuil de productio d éergie, la raiso première de so existece est liée à la simulatio des explosios ucléaires. E 1996, le présidet Bill Clito a sigé le Traité d iterdictio complète des essais ucléaires. Pour s assurer cepedat que l arseal existat restera e bo état de foctioemet, les laboratoires américais spécialisés das la recherche sur les armes ucléaires, ceux de Los Alamos et de Livermore, ot mis e place u programme de maiteace et de tests visat à garatir la fiabilité des quelque 5200 têtes ucléaires dot disposet les États-Uis. La plupart des opératios de maiteace cosistet simplemet e des ispectios de routie et au remplacemet de pièces. Ue autre composate de ce programme est la simulatio par ordiateur des explosios ucléaires. Or les modèles physiques correspodats sot très sesibles aux coditios iitiales ; le NIF est coçu pour fourir les doées écessaires à la calibratio de ces modèles, à partir de mesures réalisées sur de miuscules explosios deutérium-tritium. L istallatio sera aussi au service de la recherche fodametale, pour étudier la physique de la matière à température, pressio, desité ou champ extrêmes, telles les odes de choc d ue superova. NIF, 15 as avat ITER? Selo les prévisios, le NIF etamera ses expérieces de fusio du mélage deutérium-tritium au cours de cette aée et, si tout va bie, atteidra le seuil de productio d éergie eviro u a après. Il e s agit pas là du seuil de productio d éergie d ue cetrale, rappelle Edward Moses, directeur du NIF. Il s agira juste d obteir de la pastille de combustible plus d éergie que les 1,8 mégajoules déposés par les impulsios laser. Le NIF devrait atteidre ce seuil 15 as avat ITER. Peu importe commet o réalise la fusio, que ce soit à l aide de lasers mégajoules ou de champs magétiques, l éergie produite se maifeste sous la forme de eutros. Ces particules état eutres, elles e sot pas déviées par les champs électriques et magétiques. E outre, elles passet à travers la plupart des matériaux. La UNE BRÈVE HISTOIRE DE LA FUSION 1950 : Le physicie soviétique Adreï Sakharov coçoit ue eceite magétique de forme torique ommée tokamak, capable de coteir u plasma. Mais les travaux de Sakharov sur les armes ucléaires le détouret du projet. 1951 : Lyma Spitzer, de l Uiversité de Priceto, ivete le stellarator, u dispositif de même type que le tokamak. 1952 : Les États-Uis fot exploser Ivy Mike, la première bombe H. 1968-1969 : Les premiers eutros issus de la fusio par laser sot observés à Moscou et, de faço idépedate, e Frace au CEA. 1969 : Des chercheurs occidetaux se redet à Moscou afi de predre coaissace de la coceptio du tokamak de Sakharov. Ils costatet qu il produit u plasma bie plus chaud et dese que le stellarator. Les tokamaks se mettet à domier das les projets de fusio par cofiemet magétique. 1972 : Les recherches sur la fusio par laser preet leur essor ; les Américais proposet le cocept d implosio. 2010 : Le NIF etame ses expérieces sur la fusio cotrôlée par laser. 2018 : La costructio d ITER devrait s achever. Les premiers tests de fusio d u plasma de deutérium-tritium sot prévus pour 2026. seule faço de les arrêter est de les faire heurter directemet u oyau atomique. Mais de telles collisios fot des dégâts : les eutros issus de la réactio de fusio deutérium-tritium sot si éergétiques qu ils peuvet déplacer u oyau atomique hors de sa positio das le matériau, de l acier par exemple. À la logue, tous ces chocs affaiblisset le réacteur et redet ses structures friables. Les eutros peuvet aussi iduire de la radioactivité, puisque l impact d u eutro sur u oyau atomique peut déstabiliser ce derier. «Même s ils provieet d ue réactio propre, le flux cotiu des eutros redra dagereusemet radioactif tout matériau ordiaire», explique Ch. Baker. Du tritium créé i situ Ue cetrale fodée sur la fusio devra covertir l éergie des eutros e chaleur, qui servira à faire tourer ue turbie. Les réacteurs evisagés accomplirot cette coversio das leurs parois. La probabilité qu u eutro doé heurte u atome de la paroi est faible; mais ue couverture assez épaisse et costruite das le bo matériau quelques mètres d acier peut-être capturera presque tous les eutros émis. Les collisios eutro-oyau chaufferot la couverture et u fluide caloporteur, du sel liquide par exemple, évacuera la chaleur hors du réacteur. Ce sel liquide très chaud servira à créer de la vapeur d eau, qui fera tourer ue turbie pour géérer de l électricité. Sauf que cela est pas si simple. La couverture du réacteur a ue autre foctio, tout aussi essetielle que celles de la récupératio et du trasfert de la chaleur: produire le combustible utilisé das le réacteur. Si le deutérium est bo marché et abodat, le tritium est istable et a ue courte durée de vie (12,3as): il doit e fait être obteu par des réactios ucléaires. Ue cetrale ucléaire ordiaire (à fissio) peut e produire etre deux et trois kilogrammes par a, à u coût estimé etre 60 millios et 90 millios d euros par kilogramme. Or ue cetrale à fusio par cofiemet magétique cosommera eviro u kilogramme de tritium par semaie! «Les besois de la fusio sot bie au-delà de ce que peut fourir la fissio», isiste Mohamed Abdou, directeur du Cetre pour la sciece et la techologie de la fusio de l Uiversité de Califorie à Los Ageles. Pour la Sciece - 392 - Jui 2010 Physique [33
Pour produire so propre tritium, ue cetrale à fusio devra utiliser ue partie des eutros qu elle émet. À l itérieur de la couverture du réacteur, des caaux de lithium, u métal mou et très réactif, serot cesés capturer les eutros rapides et produire de l hélium et du tritium (voir l illustratio ci-dessous). Le tritium s échapperait par les caaux, afi d être réijecté das le plasma coteu au sei du réacteur. Cepedat, si l o examie les choses e détail, le bila deviet précaire. Chaque réactio de fusio cosomme exactemet u oyau de tritium et produit exactemet u eutro. Par coséquet, chaque eutro proveat du réacteur doit produire au mois u oyau de tritium (sio, le réacteur e cosommera plus qu il e produit). Cela est possible que si les scietifiques parvieet à iduire ue cascade compliquée de réactios. U eutro commece par heurter u oyau de lithium 7, ce qui produit u oyau de tritium, u oyau d hélium et u eutro. Ce secod eutro heurte esuite u oyau de lithium 6 et egedre u secod oyau de tritium, aisi qu u oyau d hélium. De surcroît, le tritium doit être collecté et réitroduit das le plasma avec ue efficacité de près de 100 pour cet. «Das cette réactio e chaîe, vous e devez perdre aucu eutro, sio la réactio s arrête, soulige Michael Dittmar, physicie des particules à l Istitut suisse fédéral pour la techologie (ETH) à Zurich. La première chose à faire [avat de costruire u réacteur] est de démotrer que la productio du tritium peut foctioer.» Pour sa part, R. Hazeltie soulige à quel poit la couverture du réacteur doit avoir des propriétés particulières : «Elle doit accepter beaucoup de chaleur et la trasférer sas surchauffer ; elle doit recueillir des eutros, et les matériaux très élaborés qui la composet doivet pourtat lui coférer ue durée de vie importate. Et e plus, elle doit utiliser ces eutros pour trasmuter du lithium e tritium.» Il est prévu de tester das ITER des modules géérateurs de tritium. E parallèle, u projet plus spécifique, l IFMIF (Iteratioal Fusio Material Irradiatio Facility) prévoit la costructio d u accélérateur afi de produire des eutros et de tester des matériaux de couverture destiés à u réacteur à fusio. M. Abdou estime qu il faudrait etre 30 et 75 as pour maîtriser LES DÉFIS DE LA FUSION Pour que la fusio ucléaire deviee ue source d éergie viable, il faudra surmoter plusieurs problèmes. Chaleur : Les matériaux mis e présece des réactios de fusio doivet résister à de hautes températures pedat des aées. Structure : Les eutros de haute éergie proveat des réactios de fusio fragiliset les matériaux qu ils recotret. Combustible : U réacteur à fusio devra produire du tritium, c est-à-dire ue partie de so combustible, au moye d ue chaîe complexe de réactios. Fiabilité : Les réacteurs à laser e produiset que des saccades de fusio ; les systèmes à cofiemet magétique devrot maiteir u plasma e fusio des semaies durat, et o quelques secodes. Neutro proveat du cœur du réacteur Hélium Lithium 7 Lithium 6 Hélium Neutro GÉNÉRER DU TRITIUM O prévoit que les réacteurs à fusio produirot leur propre tritium par ue chaîe complexe de réactios. U eutro commece par heurter u oyau de lithium 7 implaté das la paroi du réacteur. Cette réactio crée u oyau d hélium, u oyau de tritium et u eutro. Ce secod eutro heurte esuite u oyau de lithium 6, qui se trouve aussi das la paroi du réacteur, ce qui produit u autre oyau d hélium et u de tritium. Tritium Tritium Jessica Huppi suffisammet tous les problèmes liés aux matériaux de couverture pour costruire ue cetrale à fusio opératioelle. «Je pese que c est faisable, dit-il, mais c est beaucoup de travail.» Ue filière viable? Supposos que ce problème soit réglé. Nous sommes e 2050. Tat le NIF qu ITER ot été des succès complets, et les objectifs e termes de gai éergétique ot été atteits tout e respectat les budgets La ature a pas réservé aux scietifiques de mauvaises surprises quad ils ot augmeté l éergie e jeu das chacue des deux istallatios; les fatasques plasmas se sot fialemet comportés comme prévu. U bac d essai distict a démotré la faisabilité d ue couverture de réacteur, capable d egedrer du tritium et d évacuer la chaleur due aux eutros afi qu o la trasforme e électricité, tout e résistat aux agressios subatomiques qu elle subirait quotidieemet das ue cetrale à fusio. Et supposos que le coût estimé d ue cetrale à fusio e soit que de dix milliards d euros. Disposerosous alors d ue ouvelle filière éergétique utilisable? Même pour les pioiers qui ot cosacré leur vie à la quête de la fusio cotrôlée, il est difficile de répodre. Le problème est que les cetrales à fusio comme les cetrales à fissio habituelles devrot produire de l électricité e cotiu. État doé leur coût iitial importat, elles e serot retables que si elles foctioet e permaece. «Quad u système exige autat d ivestissemet, il faut pouvoir l exploiter 24 heures sur 24, car vous e payez pas le combustible» fait remarquer Ch. Baker. Malheureusemet, il est très difficile de maiteir u plasma stable assez logtemps. Jusqu à préset, les réacteurs ot réussi à maiteir u plasma e fusio durat mois d ue secode. Le but d ITER est de prologer cette durée à plusieurs dizaies ou cetaies de secodes. Passer à ue fusio du plasma 24 heures sur 24 représetera u pas gigatesque à frachir. «Il va falloir que la fusio se déroule 90 pour cet du temps», estime Ch. Baker e comptat les temps d arrêt pour maiteace. «C est, de loi, la plus grade source d icertitude sur la viabilité écoomique des futurs réacteurs à fusio.» E. Moses, le directeur du NIF, pese avoir la parade. Il a proposé u cocept 34] Physique Pour la Sciece - 392 - Jui 2010
hydride à fusio et fissio ; le système utiliserait des eutros produits par fusio, déclechée par laser, pour cotrôler des réactios de fissio das ue couverture costituée de déchets ucléaires. Il omme so système LIFE (pour l aglais laser iertial fusio egie), et affirme pouvoir livrer ue cetrale électrique foctioat sur ce pricipe e 20 as. Le système imagié par E. Moses se fode sur le fait que l o utilise que ciq pour cet de l uraium qui alimete les cetrales à fissio, avat que l o e retire les barres de combustible et e les stocke pour ue logue coservatio. LIFE bombarderait ce combustible usagé avec des eutros, ce qui accélérerait sa désitégratio e espèces plus légères et mois radioactives, tout e produisat de la chaleur exploitable pour produire de l électricité. «Nos études motret que ous serios compétitifs avec toutes les sources d éergie dispoibles aujourd hui, explique E. Moses. Voire mois chers.» Combie coûtera ue cible? Bie etedu, LIFE est pas sas icovéiets. Selo Edward Morse, professeur de géie ucléaire à l Uiversité de Califorie à Berkeley, chaque filière a ses mystificatios qu il faut débusquer. «La pricipale mystificatio de la fusio cotrôlée par laser est de prétedre que l o pourra produire les cibles à quelques cetimes l uité.» Les cibles e questio, de la taille d u grai de poivre, doivet être usiées avec ue très grade précisio et être parfaitemet sphériques pour s assurer que la compressio sera isotrope. La moidre déformatio et la cible e s allumera pas... Les cibles sot actuellemet très chères à fabriquer. Le Laboratoire de Livermore, qui prévoit de produire ses cibles sur place, e publie pas d estimatios de coût. Mais le Laboratoire d éergétique laser de l Uiversité de Rochester produit aussi des cibles de deutérium-tritium. «Actuellemet, le budget auel utilisé das ce laboratoire pour produire des cibles est de plusieurs millios de dollars, alors qu il e produit qu eviro six par a, idique E. Morse. O pourrait doc e déduire que chaque cible coûte eviro u millio de dollars.» Or e situatio de productio, les cibles e serot pas utilisées au rythme du NIF, capable de réaliser u tir toutes les quelques heures, mais plutôt à la Natioal Fusio Research Istitute UNE VUE DU PLASMA à l itérieur du tokamak sud-corée KSTAR (Korea Supercoductig Tokamak Advaced Research), istallatio de recherche qui a commecé à foctioer e 2008. cadece d ue mitrailleuse. «Plus précisémet, il faudra ue machie capable de tirer 600 fois par miute, soulige E. Moses. Elle serait comparable à u moteur de voiture de u millio de chevaux, sauf qu il y aura pas de carboe émis...» Ue cetrale LIFE foctioat 24 heures sur 24 utiliserait eviro 90 000 cibles par jour. Bie etedu, il est impossible de prévoir la situatio éergétique das 20 as. Il se pourrait que l o ait besoi, plus que jamais, d éergie produite par fusio thermoucléaire. Mais il se pourrait aussi qu ue percée de l éergie solaire, éoliee ou d ue autre forme d éergie fasse apparaître, par comparaiso, la fusio comme trop coûteuse ou difficile à domestiquer. «Il est possible que les ges dirot: certes, ça marche, c est impressioat, mais ous e avos plus besoi, car ous avos d autres possibilités», affirme R. Hazeltie. Autrefois, la fusio thermoucléaire était au-dessus de telles cosidératios. Elle apparaissait radicalemet différete de la productio d éergie par utilisatio de combustibles fossiles, si polluats, ou de l uraium, si dagereux. La fusio représetait ue solutio défiitive, belle et pure, à os besois d éergie. Cette visio est e trai de se dissiper. La fusio est qu ue voie possible parmi d autres, et il lui faudra plusieurs déceies avat qu elle porte ses fruits. L igitio est peutêtre proche, mais l ère de l éergie dispoible à voloté e l est pas. L AUTEUR Michael MOYER est rédacteur à Scietific America. BIBLIOGRAPHIE A. Heller, Safe ad sustaiable eergy with LIFE, Sciece ad Techology Review, avril/mai 2009 (https://str.lll.gov/ AprMay09/moses.html). Research eeds for magetic fusio eergy scieces, Rapport fial du Research Needs Workshop, jui 2009 (www.burigplasma.org/ reew.html). A. Beuzzi-Mouaix, La fusio ucléaire, Beli-Pour la Sciece, 2008. Ch. Seife, The Strage History of Fusio ad the Sciece of Wishful Thikig, Vikig, 2008. W. J. Nutall, Fusio as a eergy source : challeges ad opportuities, Rapport de l Istitute of Physics, septembre 2008 (www.iop.org/activity/policy/ Publicatios/file_31695.pdf). Pour la Sciece - 392 - Jui 2010 Physique [35