Le physicien Alain Bécoulet, ancien directeur de l’Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique (IRFM) du CEA, devient le directeur du domaine « Ingénierie » d’ITER Organization à partir du 1 janvier 2020. Au cours de sa longue carrière il a travaillé sur les tokamaks JET, DIII-D et enfin Tore Supra. Crédit: ITER
Iter doit montrer à l’humanité que la fusion nucléaire, ce processus qui survient au coeur des étoiles, est faisable sur Terre.
Dans le Sud de la France, à Cadarache, un des plus gros projets scientifiques de tous les temps est en train de voir le jour. Mais en attendant la prouesse scientifique, le chantier est un formidable défi d’ingénierie et de logistique.
Alain Bécoulet, directeur du domaine Ingénierie d’Iter, a fait le point pour Québec Science sur les avancées du chantier et les défis qui attendent les centaines de technologues et de scientifiques à l’oeuvre.
Québec Science : En quoi consiste la fusion nucléaire?
La réaction de fusion la plus efficace en laboratoire est la réaction entre deux isotopes de l’hydrogène (H), le deutérium (D) et le tritium (T). La fusion du deutérium et du tritium (D-T) produira un noyau d’hélium et un neutron. Source: Iter
Alain Bécoulet: La fusion consiste à prendre deux noyaux atomiques, à les envoyer l’un dans l’autre pour qu’ils fusionnent en dégageant de l’énergie. Dans Iter, on injecte du deutérium et du tritium, deux isotopes de l’hydrogène. Comme cette réaction demande initialement beaucoup d’énergie, il faut amener les particules à une vitesse suffisante. La température du plasma n’est que le reflet de cette vitesse : on a besoin de monter à environ 150 millions de degrés. Dans le Soleil, la densité est énorme, donc la fusion se déroule à des températures plus basses. Sur Terre, il faut y aller franchement, sinon on n’arriverait pas à entretenir ces réactions.
À cette température, il faut isoler le plasma de façon non matérielle : 99,9% de l’isolement est fait par des champs magnétiques.
QS: Les images du chantier sont impressionnantes. Quelles sont les prochaines étapes?
AB: On a posé la base du cryostat à l’été 2020, ce qui était l’acte fondateur symbolique du début de l’assemblage. La machine elle-même sera logée dans le cryostat. On a posé le premier demi-cylindre, puis on posera les pieds sur lesquels vont reposer les « quartiers d’orange » de l’enceinte à vide et des bobines de champ magnétique. On a reçu tous les morceaux. On installera les deux bobines poloïdales qui ont elles aussi été livrées, puis un pilier central qui permettra de soutenir l’ensemble des quartiers d’orange. La COVID va nous retarder un peu, l’effet se fait sentir sur les gros industriels qui ont dû ralentir le rythme de travail. C’est dur d’estimer l’impact sur le calendrier, mais on vise toujours fin 2025 pour le premier plasma.
QS: Même si Iter ne produira pas d’électricité, comment utiliserait-on la réaction de fusion dans une centrale?
AB: Le principe d’une centrale est toujours le même, que ce soit une centrale à charbon, à gaz ou autre : on produit de la chaleur, on fait de la vapeur et on fait tourner une turbine.
Là, la température est tellement élevée qu’on ne peut pas la récupérer directement, sinon on fond tout! Ce milieu est thermodynamiquement chaud : il y a des ions et des électrons qui viennent lécher les parois, par convection, et cette chaleur est récupérée par l’élément principal au contact du plasma qu’on appelle le divertor. Le gros des échanges thermiques se fait de cette façon.
Il y a aussi une deuxième source de chaleur qui est exploitée : le flux de neutrons qui sort de façon uniforme du plasma et chauffe les parois (NDLR : la réaction de fusion entraine la production d’hélium et l’éjection de neutrons).
Le but est toutefois d’utiliser le rayonnement neutronique, pour produire du tritium, un élément nécessaire à la fusion avec le deutérium. Les neutrons tapent dans un revêtement de lithium, ce qui permet de produire du tritium (on parle de couvertures tritigènes).
QS: Et qu’en est-il de l’hélium produit pendant la réaction?
AB: Le milieu s’enrichit en hélium ionisé, qui reste dans le plasma. Comme la manière vient lécher le divertor, on « écope », on aspire à cet endroit-là un mélange de deutérium, tritium et hélium, que l’on sépare ensuite dans une machine à gaz. Le deutérium et le tritium sont réinjectés. Avec l’hélium on pourra gonfler des ballons! L’avantage, c’est qu’il n’y a pas de produits de fusion radioactifs.
On ne peut toutefois pas négliger l’enveloppe de la machine : les neutrons ont tapé les structures et ont irradié les matériaux. La structure elle-même devient un déchet radioactif, même si on fait un effort pour utiliser des matériaux qui génèrent le moins de radioactivité à la fin. Mais une fois qu’un tokamak aura fini sa vie, après 50 ou 100 ans de refroidissement, on n’aura pas le problème des centrales nucléaires à fission, qui laissent des déchets radioactifs pendant des dizaines de milliers d’années.
QS: L’idée d’Iter est née à la fin des années 1980. Entretemps, la science a progressé : vos technologies sont-elles encore à jour?
AB: On est un peu dans le piège commun à tous les projets à long terme, comme les sondes spatiales. Entre le moment où les experts de l’étape précédente se sont dits « on est capables, on va le faire » et le démarrage du chantier, on est rentrés dans de la politique, des négociations… Cela prend des années et pendant ce temps, la science et la technologie avancent. Quand Iter a été lancé, la première chose a été de rouvrir la boite de pandore du design et de le mettre à jour.
Forcément, cela entraine des dérapages de coûts, liés aussi à l’augmentation normale des prix avec le temps. Évidemment, on reste ouverts à des améliorations mais maintenant que les pièces sont fabriquées, il faut se lancer.
QS: Iter est un projet colossal. Y a-t-il des risques qu’il échoue?
AB: Oui, forcément, il y a toujours des risques. C’est pour ça qu’on essaie! Ce qu’on cherche à faire, c’est la démonstration de la maîtrise de ces risques. Iter doit faire la démonstration qu’on est capable de faire un plasma très chaud, de générer un champ magnétique permanent, de recycler le tritium, et de maintenir cette installation. Le prérequis, c’est qu’il arrive à générer 10 fois plus d’énergie que ce qu’on y injecte initialement. C’est majeur, c’est l’une des grandes aventures de l’humanité. C’est d’ailleurs pour ça que tout le monde a voulu participer. Si on rate Iter, cela mettra un coup d’arrêt à la fusion.
