« Plus que 30 ans avant la fusion nucléaire » : une blague bien connue dans ce secteur de développement, alors que cela fait près d’un siècle que les scientifiques travaillent dur pour donner vie à cette source d’énergie. Mais ces dernières années, les choses ont commencé à bouger, et d’une manière inattendue. Les entreprises privées pensent qu’elles peuvent faire mieux que le secteur public.

Dans les années 1920, lorsque l’astrophysicien britannique Arthur Eddington a prédit que les étoiles produisent de l’énergie en fusionnant des noyaux d’hydrogène, il a jeté les bases d’une branche majeure des sciences. La décennie suivante, un scientifique alors inconnu, Mark Oliphant, élève du célèbre physicien Ernest Rutherford, a démontré pour la première fois que les humains pouvaient eux aussi exploiter la puissance des étoiles.

Oliphant avait fait entrer en collision des noyaux de deutérium, un isotope de l’hydrogène avec un neutron supplémentaire dans son noyau, dans un accélérateur de particules, produisant à la fois de l’hélium-3 et du tritium, un isotope de l’hélium avec un neutron de moins que l’hélium « normal », respectivement, et un isotope de l’hydrogène avec deux neutrons. Les noyaux de deutérium ont fusionné ensemble, devenant des particules plus lourdes.

La découverte la plus importante d’Oliphant, cependant, est que cela libère une énorme quantité d’énergie. C’était le coup d’envoi : le scientifique avait prouvé que la théorie de la fusion nucléaire d’Eddington pouvait être correcte. Plus important encore, il a montré que les humains pouvaient imiter le processus, bien qu’à une échelle minuscule à l’époque.

Tokamaks et stellarators

Bien qu’Oliphant ait démontré que la fusion nucléaire était possible, il a fallu un certain temps avant que les chercheurs ne s’attaquent au véritable travail : reproduire le processus à grande échelle sur terre. Dans les années 1950, les choses ont commencé à bouger.

Les scientifiques soviétiques Andrei Sakharov et Igor Tamm ont conçu en 1950 un tokamak, un dispositif en forme de tore dans lequel le plasma est contrôlé par de puissants champs magnétiques afin que les noyaux atomiques qu’il contient puissent fusionner.

Un an plus tard, Lyman Spitzer, un physicien américain, a proposé un autre modèle, le stellarator. La conception de Spitzer utilise également des champs magnétiques pour retenir le plasma, mais d’une manière différente : au lieu de prendre la forme d’un tore, les stellarators ressemblent davantage à un beignet tordu. Les stellarators devaient nécessiter moins de puissance injectée pour maintenir le plasma, devaient avoir une plus grande souplesse de conception et devaient faciliter certains aspects du contrôle du plasma.

Finalement, les études expérimentales ont montré que les tokamaks étaient plus efficaces, de sorte que la plupart des recherches menées aujourd’hui sur la fusion nucléaire sont effectuées avec cette forme de réacteur.

Les gouvernements ont mené à bien la première étape

Cependant, il est vite apparu que la technologie ne pouvait être développée du jour au lendemain. L’élaboration de réacteurs à fusion nucléaire s’est avérée être un énorme défi, qui ne pouvait être relevé par un seul pays. C’est pourquoi les gouvernements du monde entier ont uni leurs forces à partir des années 1970. En Europe, par exemple, les pouvoirs en place ont commencé en 1973 à concevoir le Joint European Torus (JET), un réacteur qui est devenu opérationnel en 1983.

Ce projet – un tokamak, soit dit en passant – s’est finalement avéré être un grand pas en avant : en 1997, une réaction de 22 mégajoules a été générée dans le réacteur expérimental, un record énergétique pour les réacteurs de fusion nucléaire de l’époque. Il a toutefois fallu pas moins de 25 ans au JET pour battre son propre record, lorsqu’il a généré une réaction de 59 mégajoules au début de cette année. Il convient toutefois de noter que les réactions du JET (et de tous les autres réacteurs de fusion) nécessitent toujours plus d’énergie qu’elles n’en produisent.

En d’autres termes, malgré la coopération de l’ensemble de la communauté européenne, il n’a pas encore été possible de créer un réacteur à fusion pouvant être utilisé comme source d’énergie.

Toutefois, cela devrait bientôt changer avec la construction du réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER), un tokamak de 20 milliards d’euros en cours de construction dans le sud de la France. Une fois que ce projet colossal, fruit d’une collaboration entre la Chine, l’Union européenne, l’Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis, sera opérationnel, il finira (d’après les données du JET) par dépasser le « seuil de rentabilité » et produire plus d’énergie qu’on n’en injecte.

Toutefois, cela est loin d’être certain, et l’on s’attend à ce que des gains énergétiques nets ne puissent être réalisés qu’à partir de 2035 environ, mais les expériences se poursuivront encore longtemps après. Cela signifie que la commercialisation de la fusion nucléaire ne peut être envisagée qu’à partir des années 2040, voire plus tard, de sorte que les vieilles plaisanteries du type « à dans 30 ans » semblent toujours d’actualité. Mais les récents développements sur le marché privé pourraient changer la donne.

Le secteur privé peut être la planche de salut

Il est clair aujourd’hui que le secteur public a fait sa part du travail : la technologie est sur le point de devenir plus qu’une promesse et peut-être l’ITER va-t-il remplir ses objectifs. Mais le secteur privé souhaite désormais participer à la deuxième – et, espérons-le, dernière – étape.

Le marché des entreprises privées est en plein essor : on compte aujourd’hui plus de 30 entreprises à la recherche du Saint-Graal de l’énergie, et une nouvelle firme les rejoint tous les quelques mois.

Et si ces sociétés adoptent toutes des approches différentes – des tokamaks et stellarators classiques aux conceptions plus inhabituelles telles que le tokamak sphérique -, la plupart ont un point commun : elles pensent pouvoir commercialiser la fusion nucléaire dans les années 2030, voire avant.

Pas moins de 93 % des entreprises affiliées à la Fusion Industry Association, l’association commerciale internationale des entreprises de fusion, l’ont déclaré au début de cette année.

Pour atteindre cet objectif extrêmement ambitieux, de plus en plus d’argent est injecté dans le secteur par des investisseurs privés. Selon la Fusion Industry Association, ce montant s’élèverait à quelque 3 milliards de dollars d’ici 2021, soit une augmentation remarquable de 50 % par rapport à l’année précédente. Six entreprises auraient participé à hauteur d’au moins 200 millions.

Cette compétitivité croissante est une bonne nouvelle : en ne comptant pas sur des projets gigantesques qui prennent des dizaines d’années et coûtent des milliards, les entreprises peuvent montrer que les choses peuvent être faites plus efficacement. L’aérospatiale est un secteur qui a bénéficié des mêmes avantages au cours de la dernière décennie. Le lourd appareil d’État de la NASA a été radicalement dépassé aux États-Unis par des entreprises privées, principalement par SpaceX d’Elon Musk. En conséquence, les coûts de lancement ont déjà diminué d’un ordre de grandeur depuis le début du millénaire, une tendance qui pourrait se poursuivre dans un avenir proche avec l’arrivée du vaisseau Starship. L’industrie de la fusion pourrait maintenant vivre la même transformation.

La course est lancée

Le coup d’envoi est désormais donné et les entreprises se précipitent pour trouver l’approche la plus efficace pour obtenir la fusion. Il y a deux ans, par exemple, la société d’investissement flamande Gimv a investi dans General Fusion avec Amazon. L’entreprise souhaite construire un réacteur de démonstration dans l’Oxfordshire d’ici 2025, un projet qui devrait coûter environ 400 millions de dollars, soit 50 fois moins qu’ITER.

Il convient de noter que General Fusion ne construit pas un tokamak ou un stellarator. Au lieu de cela, elle utilise la « fusion nucléaire magnétisée », un processus dans lequel du plasma d’hydrogène est injecté dans un cylindre entouré d’une paroi de métal liquide. Un grand nombre de pistons pneumatiques sont ensuite utilisés pour comprimer le plasma jusqu’à ce que les noyaux d’hydrogène fusionnent.

L’énergie ainsi produite doit ensuite être transférée à travers le métal liquide vers l’eau pour produire de la vapeur, qui actionne finalement une turbine pour générer de l’électricité.

Zap Energy est une autre startup travaillant sur la fusion. Cette société veut également abandonner la conception coûteuse du tokamak. Au lieu d’installer des bobines magnétiques en cuivre pour contrôler le plasma, Zap Energy utilisera la méthode dite du « z-pinch ». Celle-ci utilise le champ électromagnétique généré par le plasma lui-même pour le contrôler.

La méthode n’est pas nouvelle : elle faisait déjà l’objet de recherches dans les années 1950. À l’époque, elle n’était pas très populaire, car on disait qu’elle était moins stable que d’autres approches. Pourtant, en 2019, les scientifiques sont parvenus à résoudre le problème, ce qui a convaincu Zap Energy que cette solution, et non les tokamaks, pourrait être l’avenir. En outre, grâce à cette technologie, les réacteurs pourraient devenir suffisamment petits pour être placés même dans le garage d’une maison.

D’autres entreprises optent pour l’approche du tokamak. Au début de l’année, la société britannique Tokamak Energy a même annoncé en mars, qu’elle était devenue la première entreprise privée à atteindre une température de plasma de 100 millions de degrés Celsius. A partir de cette température, la fusion peut réellement avoir lieu à l’échelle commerciale.

Il reste maintenant à l’une des plus de trente entreprises travaillant sur cette technologie prometteuse à extraire réellement plus d’énergie d’une réaction qu’elle n’en dépense dans celle-ci. Une fois qu’une entreprise y parvient, le ciel est la seule limite : la fusion nucléaire ne pollue pas, ne produit pas de déchets nucléaires et ne nécessite en outre (presque) pas de matériaux exotiques comme l’uranium. En outre, l’approvisionnement en combustible serait pratiquement inépuisable, du moins si un petit problème est résolu : l’approvisionnement mondial en tritium, l’un des deux isotopes nécessaires pour alimenter les réacteurs de fusion nucléaire, est très limité et risque de s’épuiser.

MB