Qu'est-ce que la fusion nucléaire?
La fusion nucléaire (dans ce cas nous parlons de fusion thermonucléaire) est la réaction
Selon l'astrophysique modernenotions, la principale source d'énergie du Soleil et des autres étoiles est la fusion thermonucléaire se produisant dans leurs profondeurs. Dans des conditions terrestres, il est réalisé avec l'explosion d'une bombe à hydrogène. La fusion thermonucléaire s'accompagne d'une libération d'énergie colossale par unité de masse de réactifs (environ 10 millions de fois plus que dans les réactions chimiques). Par conséquent, il est d'un grand intérêt de maîtriser ce processus et, sur sa base, de créer une source d'énergie bon marché et respectueuse de l'environnement. Cependant, malgré le fait que de grandes équipes scientifiques et techniques dans de nombreux pays développés sont engagées dans la recherche sur la fusion thermonucléaire contrôlée (FCT), il reste encore de nombreux problèmes complexes à résoudre avant que la production industrielle d'énergie thermonucléaire ne devienne une réalité.
Centrales nucléaires modernes utilisant le procédédivisions, ne satisfont que partiellement les besoins mondiaux en électricité. Leur combustible est constitué d'éléments radioactifs naturels, l'uranium et le thorium, dont l'abondance et les réserves dans la nature sont très limitées ; par conséquent, de nombreux pays sont confrontés au problème de leur importation. Le principal composant du combustible thermonucléaire est le deutérium, un isotope de l’hydrogène, présent dans l’eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très importantes (l'océan mondial couvre environ 71 % de la superficie de la Terre et le deutérium représente environ 0,016 % du nombre total d'atomes d'hydrogène qui composent l'eau).
Outre la disponibilité du combustible, les sources d'énergie thermonucléaire présentent les avantages importants suivants par rapport aux centrales nucléaires:
- le réacteur CTS contient beaucoup moins de matières radioactives qu'un réacteur à fission nucléaire, et les conséquences d'un rejet accidentel de produits radioactifs sont donc moins dangereuses;
- les réactions thermonucléaires génèrent moins de déchets radioactifs à vie longue;
- TCB permet la production directe d'électricité.
La mise en œuvre réussie de la réaction de fusion dépend des propriétés des noyaux atomiques utilisés et de la possibilité d'obtenir un plasma dense à haute température, nécessaire pour initier la réaction.
Comment l'énergie est-elle libérée lors de la fusion?
La libération d'énergie pendant la fusion nucléaire est due àdes forces d'attraction extrêmement intenses agissant à l'intérieur du noyau; ces forces maintiennent ensemble les protons et les neutrons qui composent le noyau. Ils sont très intenses et se dégradent extrêmement rapidement avec la distance. En plus de ces forces, les protons chargés positivement créent des forces de répulsion électrostatiques. Le rayon d'action des forces électrostatiques est beaucoup plus grand que celui des forces nucléaires, de sorte qu'elles commencent à prévaloir lorsque les noyaux sont séparés les uns des autres.
Dans des conditions normales, l'énergie cinétique des noyauxles atomes légers sont trop petits pour vaincre la répulsion électrostatique, ils pourraient s'approcher et entrer dans une réaction nucléaire. Cependant, la répulsion peut être surmontée par une force "brute", par exemple en heurtant des noyaux avec une vitesse relative élevée.
Pourquoi les scientifiques font-ils de la fusion nucléaire?
Chercheurs développant thermonucléaireun réacteur capable de générer plus d'énergie qu'il n'en consomme a montré dans une série de travaux récents que leurs conceptions doivent fonctionner, rétablissant l'optimisme que cette source d'énergie propre et illimitée contribuera à atténuer la crise climatique.
Un groupe de chercheurs du MassachusettsL'Institut de Technologie (MIT) et d'autres instituts déclarent que le réacteur à fusion compact SPARC fonctionnera dans la réalité. Du moins en théorie, comme ils le prétendent dans une série d'études récemment publiées.
L'équipe souligne qu'au cours des étapes de planification,aucun obstacle ou surprise inattendu n'a été trouvé. Ceci est indiqué dans sept articles rédigés par 47 chercheurs de 12 institutions scientifiques différentes.
Bien que le nouveau réacteur soit encore en constructionÀ ses premiers stades de développement, les scientifiques espèrent pouvoir commencer à produire de l’électricité d’ici la fin de la décennie. Martin Greenwald, l'un des scientifiques principaux du projet, a déclaré au Guardian que l'une des principales motivations de ce calendrier ambitieux est de répondre aux besoins énergétiques dans un monde en réchauffement. "La fusion semble être l'une des solutions possibles pour sortir de la catastrophe climatique qui s'annonce", a-t-il déclaré.
Quel est le problème de la fusion et comment peut-elle aider la planète?
La fusion nucléaire, un processus physique quialimenter notre soleil se produit lorsque des atomes entrent en collision à des températures et des pressions extrêmement élevées, ce qui les amène à libérer des quantités massives d'énergie en fusionnant avec des atomes plus lourds.
Depuis qu'il a été découvertAu siècle dernier, les scientifiques ont cherché à exploiter la fusion nucléaire, une forme d’énergie extrêmement dense dont le combustible – les isotopes de l’hydrogène – est abondant et reconstitué. De plus, la fusion nucléaire ne produit pas de gaz à effet de serre ni de carbone et, contrairement aux réacteurs nucléaires à fission, ne comporte pas de risque de fusion.
Cependant, l'utilisation de cette forme d'énergie nucléaires'est avéré extrêmement difficile car cela nécessitait de chauffer la « soupe de particules subatomiques » – le plasma – à des centaines de millions de degrés – trop chaude pour qu'un récipient puisse la manipuler. Pour contourner ce problème, les scientifiques ont développé une chambre en forme de beignet traversée par un puissant champ magnétique, appelée tokamak, qui maintient le plasma en place.
Qu'est-ce qui est déjà en cours de développement?
Scientifiques du Massachusetts Institute of Technologyet sa filiale Commonwealth Fusion Systems a commencé à concevoir un nouveau réacteur, plus compact que ses prédécesseurs, au début de 2018, la construction devant commencer au premier semestre de l'année prochaine. Si leur calendrier se déroule comme prévu, un réacteur appelé Sparc pourrait produire de l'électricité pour le réseau d'ici 2030, selon des chercheurs et des responsables de l'entreprise. Ce sera beaucoup plus rapide que les grandes initiatives existantes dans le domaine de l'énergie de fusion.
Les conceptions actuelles des réacteurs sont trop grandeset des routes pour produire réellement de l'électricité pour les consommateurs. À l’aide d’aimants de pointe et ultra-puissants, l’équipe du MIT et de Commonwealth Fusion espère créer un réacteur tokamak compact, efficace et évolutif. "Ce que nous avons réellement fait, c'est combiner la science existante avec de nouveaux matériaux pour ouvrir d'énormes nouvelles possibilités", a déclaré Greenwald.
Après avoir démontré que le dispositif Sparcpourrait théoriquement produire plus d'énergie que ce qui est nécessaire pour son fonctionnement, selon des articles de recherche publiés en septembre, l'étape suivante consiste à construire un réacteur puis une usine pilote qui produiront de l'électricité sur le réseau.
Tous les avantages et inconvénients de la fusion nucléaire
Les scientifiques et les entrepreneurs ont depuis longtemps promis quela fusion thermonucléaire est imminente, mais elle a fait face à des problèmes insurmontables. Cela a conduit à une réticence à y investir, d'autant plus que l'énergie éolienne, solaire et d'autres sources d'énergie renouvelables, bien que moins puissantes que la fusion, sont devenues plus efficaces et plus rentables.
Mais la situation est en train de changer.Dans le plan de 2 billions de dollars de Biden, il a qualifié la technologie nucléaire avancée de partie d'une stratégie de décarbonisation. Les démocrates soutiennent l'énergie nucléaire pour la première fois depuis 1972. Des investissements importants proviennent également de sources privées, y compris de certaines grandes sociétés pétrolières et gazières, qui considèrent la fusion comme un meilleur ancrage à long terme que le vent et le soleil.
Selon Bob Mumgaard, directeurDirecteur de Commonwealth Fusion, l’objectif n’est pas d’utiliser la fusion pour remplacer les énergies solaire et éolienne, mais pour les compléter. « Il y a des choses qui seront difficiles à réaliser avec les seules énergies renouvelables, à l’échelle industrielle, comme alimenter les grandes villes ou l’industrie manufacturière », a-t-il déclaré. "C'est là que la synthèse peut s'avérer utile."
La communauté du plasma dans son ensemble est enthousiasmée par les progrès de Sparc, bien que certains aient remis en question le calendrier ambitieux compte tenu des obstacles techniques et réglementaires.
Daniel Jessby, 25 ans de recherche scientifiqueun associé au laboratoire de physique des plasmas de Princeton, se demande si un réacteur à fusion comme le SPARC pourrait jamais devenir une source d'énergie alternative possible. Le tritium, l'un des isotopes de l'hydrogène que Sparc utilisera comme carburant, n'est pas présent dans la nature et doit être produit, a-t-il déclaré.
Équipe technologique du MassachusettsL'Institut suppose que cette substance sera continuellement régénérée par la réaction de synthèse elle-même. Mais Jessby pense que cela nécessitera une énorme quantité d'électricité, ce qui rendra le réacteur d'un coût prohibitif. «Quand vous pensez que nous obtenons gratuitement l'énergie solaire et éolienne, il serait insensé de s'appuyer sur une réaction de fusion», conclut-il.
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