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La fusion, énergie du futur ? Un Nouveau Défi

par Jean-François Eloy

Quelque soit l’endroit de l’espace où nos yeux se portent, ce n’est qu’étoiles, étoiles, …Elles ont toujours brillé et continueront à briller des milliards d’années. La source d’énergie de ces étoiles est un processus physique appelé fusion atomique, qui ne peut se produire que dans la matière portée à très haute température et à très haute densité. Ce milieu matériel est alors appelé plasma. L’américain Irving Langmuir fut le pionnier dans ce domaine de la physique des plasmas quoique quelques expériences relatives aux plasmas fussent réalisées au 18ème siècle. Mais c’est seulement après quelques décades du 20ème siècle que cette physique fut considérée comme une discipline scientifique à part entière. La véritable origine de la physique des plasmas a commencé au 18ème siècle avec les travaux de B. Franklin sur la capture et le contrôle de la foudre par le paratonnerre. Ceux-ci ont été suivis au 19ème siècle par les études sur les gaz à faible densité, ionisé dans un tube à décharge et W. Crookes (1879) appelle ce milieu ionisé le 4ième état de la matière. Lord Rayleigh fit la première étude théorique des propriétés des gaz ionisés en 1906 en utilisant le modèle atomique de Thomson pour discuter du comportement oscillatoire des électrons. Jusqu’à la fin des années 30, les travaux sur la physique des plasmas restaient de peu d’intérêt pour les autres branches de la physique. Il y a eu quelques applications des connaissances de la physique des plasmas et plus particulièrement celles qui concernaient la propagation des ondes radio dans l’ionosphère et la conception des tubes lumineux ainsi que les lampes à arc de mercure. Le terme Univers de Plasma a été inventé plus récemment par le Suédois Hannes Alfven pour insister sur le rôle décisif des plasmas dans notre univers. L’état de la matière appelé plasma existe dans des lieux plus familiers et plus proches de nous : dans la flamme d’un feu de bois, la tuyère d’un réacteur d’un avion, etc... En fin de compte, comment la matière se transforme en plasma ? Rappelons que l’état gazeux est le 3ème état de la matière après successivement l’état solide et l’état liquide. L’atmosphère recouvrant notre planète est essentiellement composée de gaz. Sous l’effet des rayonnements et radiations lumineuses, ainsi que des décharges électriques (produites naturellement par un coup de foudre, par exemple), ces gaz atmosphériques deviennent lumineux. Ceci est le résultat d’un transfert de l’énergie cinétique des radiations et particules solaires aux molécules de gaz qui se dissocient sous leurs impacts en atomes ayant perdu leurs électrons de liaisons moléculaires. Ces atomes ionisés et ces électrons libérés de l’attraction du noyau atomique forment ce nouvel état de la matière appelé plasma. Ces électrons libérés par l’impact des rayonnements et radiations ont acquis une certaine vitesse sous forme d’énergie cinétique. Cette énergie, ils ont tendance à la perdre (par désexcitation) sous forme d’émission lumineuse visible ou non. Ces phénomènes d’ionisation des gaz conduisant à l’état de plasma sont donc couramment observables dans la nature qui nous entoure. Cela peut être soit lors de l’apparition d’un éclair au cours d’un violent orage, soit lors de l’apparition d’une aurore boréale créée par le bombardement de l’atmosphère arctique par des particules du vent solaire piégées par le champ magnétique terrestre, soit lors d’autres phénomènes célestes cités plus loin dans cet article.

Pour des plasmas chauffés à très haute température (environ 100 millions de degrés), des réactions de fusion des noyaux atomiques se produisent : la vitesse thermique des ions devient si élevée qu’il y a compensation des forces électrostatiques de répulsion des noyaux et les noyaux atomiques ont ainsi quelques chances de se rapprocher pour fusionner dans une même structure atomique en libérant d’énormes quantités d’énergie. En terme de rapport énergie produite/masse, la fission d’un gramme d’uranium 235 produit 24.000 kiloWatt-heure (kWh), la fusion d’un gramme d’hydrogène produirait 143.820 kWh alors qu’une tonne-équivalent charbon libère 2.500 kWh !

La fusion nucléaire ne peut se produire que dans un milieu à l’état de plasma. Les processus de fusion sont produits par des réactions d’atomes légers d’hydrogène (entre eux) qui s’appellent réactions de fusion nucléaire. Le processus de fusion nucléaire est le carburant de toutes les étoiles et galaxies. Dans certains objets astrophysiques comme la nébuleuse du Crabe, un certain rayonnement électromagnétique appelé rayonnement synchrotron est généré par des jets d’électrons et d’ions de fusion très énergétiques qui sont déviés par des champs magnétiques générés dans la nébuleuse elle-même. Il en résulte ainsi une merveilleuse émission de lumière visible depuis la terre au moyen d’une simple lunette astronomique.

En observant dans notre univers les étoiles, les systèmes galactiques et autres sources de lumière comme les quasars, il vient immédiatement une première question : d’où vient leur énergie ? L’unique réponse est que l’origine de la puissance de ces systèmes est l’énergie de fusion. Ce phénomène de fusion joue donc un rôle essentiel dans l’Univers qui nous entoure car il est composé à 99% de plasma. Il est possible de parler d’Univers de Fusion et c’est une des raisons évidentes pour laquelle les sciences des plasmas et de la fusion devraient être d’un intérêt général supérieur. Une seconde question en découle : comment cette énergie de plasma se répartit dans les immenses variétés d’étoiles, de galaxies et autres objets célestes qui remplissent l’univers cosmique ? Nous ne pouvons expliquer ce processus qu’à travers les informations que nous apporte la lumière émise par ces objets et gaz :

    - les comètes sont aussi des objets célestes spectaculaires par leur émission lumineuse observable à l’œil nu par les humains. Elles sont caractérisées par un front de gaz nébuleux entourant un noyau suivi d’une traînée de gaz lumineux qui peut atteindre plusieurs millions de kilomètres de long. Le champ magnétique interstellaire du vent solaire joue un rôle essentiel dans la formation des comètes qui font partie du système solaire. Les gaz éjectés par la comète sont immédiatement ionisés par ce vent de particules solaires et forment un plasma détectable. Par nos nouveaux moyens d’observation spatiaux, il est possible en effet de détecter aussi bien des ondes électromagnétiques ainsi que de plasma émises par ces comètes lorsqu’elles se rapprochent du soleil. La dernière passée dans notre ciel en 1997 est la comète Hale-Bopp ;

    - les supernovas sont des étoiles massives qui ont été le siège d’une gigantesque explosion. Dans le processus d’explosion des gaz sont supposés être à l’état de plasma. Quoique ces phénomènes soient rares, ils peuvent être dans l’univers la source de tous les éléments chimiques de masses élevées. L’explosion produit un flux de radiations lumineuses d’une extrême brillance. Souvent visible à l’œil nu, elles peuvent atteindre des luminosités un milliard de fois plus brillantes que celle du soleil. Des nuages de gaz sont éjectés au cours de l’explosion formant dans le ciel nocturne des nébuleuses blanches, bleues et rouges. La plus fameuse des supernovas observés (celle du Crabe) pu être observée même en plein jour durant plusieurs mois de l’année 1054 ;

    - les pulsars sont des étoiles qui génèrent des radiations électromagnétiques en impulsions très brèves à intervalles extrêmement réguliers. Les radiations des pulsars proviennent d’étoiles à neutrons qui tournent à très grande vitesse autour d’un axe de rotation, qui lui-même détermine la direction du champ magnétique généré par l’étoile. Cette rotation accélère les électrons qui émettent une radiation électromagnétique type rayonnement synchrotron dont les fréquences se situent dans le spectre des ondes radio, dans le visible et dans le domaine des rayons X. Ils sont détectables et observables depuis la terre ;

    - il existe dans l’univers  un autre type de source émettant des ondes radio : les quasars. Cependant, on peut remarquer que l’énergie relaxée par un quasar est si énorme qu’il est difficile de l’expliquer uniquement par la production d’énergie nucléaire. Quelques phénomènes d’éjection de matière indiquent des éventuelles annihilations de matière ;

    - en 1990, un physicien de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a mis en évidence pour la première fois une structure spatiale en forme de jet de lumière émise par une galaxie active. Ce jet de lumière principalement ultraviolette est visible sur une distance équivalente à celle parcourue à la vitesse de la lumière pendant plusieurs millions d’années. Cette émission intense de lumière rouge violet est produite par les électrons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière dans une trajectoire spirale courbée par le champ magnétique local. Quelle est la source de cette puissance énergétique derrière le fonctionnement de cette super machine produisant ce jet : le mécanisme retenu est dû à la présence d’un super trou noir situé à la partie centrale de la galaxie composé d’un plasma très chaud. Celui-ci est le siège de courants électriques puissants en mouvement de rotation dans le disque galactique lui-même ce qui génère le fort champ magnétique à l’origine de l’émission de rayonnement synchrotron par les électrons.

Une troisième question surgit à notre esprit : comment l’univers a commencé ? La réponse à cette question est très spéculative car il reste toujours possible de se demander : y a-t-il eu un commencement ? En effet, l’univers a pu évoluer tel un système global oscillant, se créant et s’annihilant lui-même ! Beaucoup d’astrophysiciens pensent actuellement qu’il y a eu un commencement et que celui-ci s’est manifesté par un énorme éclair-flash arrivant simultanément partout dans l’espace et qu’il en a résulté un état de la matière à haute température et haute densité. L’opinion est qu’à l’origine, il n’y avait pas de galaxie, pas d’étoile, pas d’atome, pas de nucléon, ni de structure quelconque. Il est possible d’imaginer physiquement un plasma de particules élémentaires (quark-gluon). L’opinion est que dans les cinq premières minutes existait seulement de l’hydrogène et, dans ce plasma, il en résultait des réactions de fusion. Tous les autres éléments chimiques ne furent formés que beaucoup plus tard (quelques centaines de milliards d’années plus tard) à l’intérieur des étoiles massives. La lumière très énergétique qui existait au commencement existe encore à l’heure actuelle sous la forme d’onde radio comme un bruit de fond de radiations électromagnétiques.

Une quatrième question nous préoccupe : d’où sont venues les structures (i.e. galactiques) remplissant l’univers ? On pense qu’elles ont résulté d’un supplément de matière dans certaines régions de l’espace et que les forces de gravitation ont fait le reste. Les autres régions se sont retrouvées sous forme de nuages interstellaires et nébuleuses. Cela rejoint un fait observable : une dissymétrie de répartition de la matière dans l’Univers.

Nous sommes actuellement en possession de connaissances qui nous éclairent sur ces questions. Il est possible de se demander pourquoi nous n’avons pas prêté plus d’attention aux problèmes d’énergie à l’échelle cosmique de l’univers. Une des raisons est que nous ne pouvons pas observer directement les phénomènes d’échange d’énergie de fusion qui se produisent dans l’univers entre les plasmas. Cependant, il existe des fréquences de radiations électromagnétiques associés aux phénomènes et processus d’évolution de plasma. Mais elles ne sont pas situées dans le domaine de fréquences de spectres lumineux visible et même infrarouge, mais plutôt dans celui des ondes radar ou autres ondes radio. Dans ce domaine d’observation, les possibilités d’élucider le rôle de la fusion et des systèmes plasmatiques dans l’univers ont augmenté considérablement récemment.

L’état actuel des connaissances offre l’opportunité d’un important challenge pour étudier les problèmes de plasma de fusion dans l’univers et ainsi stimuler des études communes entre l’électromagnétisme des plasmas de fusion cosmique et la technologie des plasmas de fusion dans le but de produire sur terre l’énergie électrique avec un réacteur à fusion. Le soleil est la seule étoile dont l’homme peut étudier en détail les mouvements de matière. Sa source d’énergie est celle de la fusion qui résulte de la transmutation des protons (noyau d’hydrogène) et neutrons pour former de l’hélium. En fait, le soleil est un gigantesque réacteur de fusion nucléaire. La température pour atteindre la fusion à la surface du soleil est d’environ 6 millions de degrés alors qu’au centre, elle est de 14 millions de degrés.

Le rêve d’une source d’énergie terrestre basée sur la fusion nucléaire a émergé des activités importantes de recherche dès le milieu du 20ème siècle. Beaucoup de pays favorisent actuellement des expériences de fusion à large échelle (type prototype de réacteur tel que le JET qui a fonctionné à Culham, en Grande Bretagne). Les USA (à Livermore en Californie), la France (Le Barp au CEA/CESTA) et le Japon (à Osaka) ont lancé des projets de construction de Super Laser capables de focaliser un grand nombre de faisceaux laser de puissance (plus d’une centaine) sur une minuscule petite cible de quelques millimètres cubes remplie d’un mélange de deutérium+tritium. Ils devraient produire de minuscules soleils en laboratoire, sièges de réactions de fusion nucléaire. Il reste que le problème apparemment insoluble actuellement pour ces deux voies d’exploration de la fusion en laboratoire, c’est celui de la durée de vie très courte de ces réactions : tout au plus quelques dizaines de secondes, puis il faut prendre un certain temps (ou un temps certain) pour recharger en combustible ! Il n’est pas possible d’imaginer un réacteur industriel de fusion fournissant de l’énergie autrement que de manière continue. Cela rend impossible, pour le moment, d’espérer faire un prototype industriel produisant plus d’énergie qu’il n’en consommerait. A ce stade de la connaissance, le lancement de nouveaux projets de réacteurs expérimentaux de fusion dépasse financièrement et techniquement les possibilités d’un seul pays. C’est pourquoi, l’association de plusieurs pays est requise pour mener à bien de nouveaux programmes de recherche dans le domaine de la fusion. D’important progrès dans la science des plasmas de fusion et leur technologie ont cependant été réalisés récemment mais il reste encore un long chemin à parcourir pour arriver à l’étape finale d’un réacteur industriel de fusion produisant de l’énergie électrique de manière continue. Pour que les processus de fusion deviennent prépondérants et efficaces, le plasma doit atteindre de très hautes températures (environ 100 millions de degrés) et des densités élevées. Dans ce cas, le comportement électrodynamique du plasma est essentiel. Un fait semble certain : l’évolution et le devenir d’un plasma de fusion est fortement dépendant des champs magnétiques induits par de gigantesques courants internes de matière et de charges électriques. Les pertes d’énergie dues à ces effets peuvent être considérablement réduites par l’influence d’un champ magnétique de confinement du plasma, champ généré soit par des courants externes au plasma (au moyen d’immenses bobines entourant l’enceinte du plasma, par exemple), soit par des courants internes au plasma lui-même comme dans l’expérience de Tokamak.

À long terme, une enceinte contrôlée contenant un plasma où se produirait non pas répétitivement, mais continuellement des phénomènes de fusion peut devenir la source principale d’énergie sur terre sachant que son combustible, l’hydrogène est un des éléments chimiques les plus répandus sur terre (car principale composant de l’eau de mer). Il faut donc évoquer à la fois la fusion dans l’espace sidéral et en laboratoire bien que la différence d’échelle soit abyssale : dans l’univers on parle de plasma de fusion dans des galaxies de dimension équivalente à quelques 100.000 années-lumière, et sur terre, on parle d’un plasma de fusion produit dans un volume inférieure au mètre cube. A cette occasion, il est particulièrement extraordinaire de constater l’universalité des lois physiques puisque l’homme est capable de reproduire en laboratoire exactement les mêmes phénomènes que ceux se produisant dans des galaxies à l’échelle des dimensions de l’Univers !

Quel bénéfice l’homme pourrait tirer d’apprendre à faire fonctionner et contrôler une telle source d’énergie ? Les ressources énergétiques naturelles que nous utilisons sur notre planète telles que charbon, pétrole, gaz, énergie solaire et photovoltaïque, sont limitées dans le temps, comme l’est l’uranium combustible nucléaire dont nous avons besoin pour alimenter nos centrales électronucléaires mettant en œuvre la fission nucléaire. Alors que le combustible de la fusion nucléaire est l’hydrogène, le lieu principal de son gisement se trouve dans les océans : c’est l’eau de mer. L’hydrogène ainsi que le deutérium peuvent être extraits de l’eau de mer principalement par électrolyse (après son dessalement) comme cela est réalisé depuis 1939 pour produire l’eau lourde : d’où l’utilité de l’électricité nucléaire en amont du cycle du combustible hydrogène si l’on veut le produire en grosse quantité. Il existe aussi une autre source possible de production d’hydrogène. En effet certaines bactéries photogènes (c’est-à-dire sensible à la lumière solaire) peuvent produire de l’hydrogène natif mais ceci en quantité plus limitée que l’électrolyse.

En conclusion, on peut dire que d’une part la fusion continuera à être la source d’énergie de tout l’univers, et d’autre part l’homme espère un jour la domestiquer sur terre ; les étoiles, parmi elles le soleil, continueront à briller des milliards d’années. Dans le centre du soleil la durée de vie moyenne d’un proton soumis à la réaction de fusion pour produire du deutérium est de l’ordre de 100 millions de milliards d’années. Cela laisse à notre soleil une espérance de vie très longue ainsi qu’à l’humanité toute entière, si l’homme arrive à contrôler son impact négatif sur l’environnement naturel. Notre problème d’énergie sur terre lui est à l’échelle des centaines d’années car nous constatons dans notre vie quotidienne, qu’il est souvent question de ces problèmes d’énergie. Dans l’avenir, l’humanité peut rencontrer de très sérieux problèmes pour produire de l’énergie nécessaire à sa survie. La fusion est un processus physique que l’homme peut maîtriser pour y faire face sans risque d’explosion atomique ou autres dommages. Il reste à mettre technologiquement au point une machine capable de produire cette énergie dans de bonnes conditions économiques en respectant notre l’environnement.