L’énorme potentiel de la fusion nucléaire fait qu’il est difficile de l’ignorer. Il s’agit d’une technologie qui pourrait fournir en toute sécurité un flux immense et régulier d’électricité, en utilisant un combustible abondant issu de l’eau de mer pour déclencher la même réaction que celle qui alimente le soleil. Elle ne produirait aucun gaz à effet de serre et un minimum de déchets par rapport aux sources d’énergie conventionnelles.

Mais construire un réacteur à fusion revient à créer une étoile artificielle. Et les scientifiques étudient la physique de la fusion depuis un siècle. À l’aide de certaines des machines les plus puissantes jamais construites, ils tentent d’affiner une mécanique subatomique délicate pour atteindre une étape cruciale : extraire plus d’énergie d’une réaction de fusion qu’ils n’en mettent dans celle-ci. Les chercheurs affirment qu’ils sont plus proches que jamais. Mais pourquoi est-ce si difficile ?

Qu’est-ce que la fusion nucléaire exactement?

Commençons par ce qu’est la fusion nucléaire. Nous connaissons la fission nucléaire et l’utilisons dans nos centrales nucléaires depuis des décennies : c’est ce qui se passe lorsque de gros atomes comme l’uranium et le plutonium se désintègrent et libèrent de l’énergie. Son pouvoir est énorme, il suffit de regarder les armes nucléaires que nous possédons, qui fonctionnent sur le même principe. La fusion nucléaire est encore plus puissante. C’est ce qui se passe lorsque les noyaux de petits atomes se collent les uns aux autres, fusionnent pour créer un nouvel élément et libèrent de l’énergie. La forme la plus courante est la fusion de deux atomes d’hydrogène pour créer de l’hélium.

Si la fusion génère autant d’énergie, c’est parce que le nouvel élément pèse un tout petit peu moins que la somme de ses parties. Cette infime quantité de matière perdue est convertie en énergie selon la célèbre formule d’Albert Einstein, E = mc2. « E » signifie énergie et « m » signifie masse. La dernière partie de la formule est « c », une constante qui mesure la vitesse de la lumière – 300 000 kilomètres par seconde, qui est ensuite élevée au carré. Il y a donc un énorme multiplicateur pour la matière qui est convertie en énergie, ce qui fait de la fusion une réaction extraordinairement puissante.

Pourquoi est-ce si difficile?

Ces principes de base sont bien compris et les chercheurs sont convaincus qu’il est possible de les utiliser de manière utile, mais jusqu’à présent la fusion nucléaire est restée insaisissable. Nous savons avec certitude que la théorie fondamentale fonctionne. Mais essayer de la reproduire dans un laboratoire ne s’avère pas si simple.

Pour une démonstration de la fusion nucléaire, il suffit de regarder le soleil pendant la journée. Même à une distance de 150 millions de kilomètres, notre étoile la plus proche génère suffisamment d’énergie pour chauffer la Terre à travers le vide spatial. Mais le soleil a un avantage que nous n’avons pas ici sur Terre : il est très, très grand. L’un des problèmes de la fusion est que les noyaux atomiques – les noyaux des atomes chargés positivement – se repoussent normalement les uns les autres. Pour surmonter cette répulsion et déclencher la fusion, il faut faire en sorte que les atomes se déplacent très rapidement dans un espace limité, ce qui augmente les risques de collisions.
Une étoile comme le soleil, dont la masse est environ 333 000 fois supérieure à celle de la terre, génère une gravité qui précipite les atomes vers son centre, ce qui les fait chauffer, les « emprisonne » et déclenche la fusion. Les réactions de fusion fournissent ensuite l’énergie nécessaire pour accélérer d’autres noyaux atomiques et déclencher encore plus de réactions de fusion.

Imiter le soleil sur la Terre est une sacrée tâche. Les humains ont été capables d’initier la fusion, mais de manière incontrôlée, comme dans les armes thermonucléaires (parfois appelées bombes à hydrogène). La fusion a également été démontrée en laboratoire, mais dans des conditions qui consomment beaucoup plus d’énergie que la réaction n’en produit. La réaction nécessite généralement la création d’un état de la matière à haute énergie appelé plasma, mais le plasma présente des particularités que les scientifiques tentent encore de comprendre.

Deux voies : les aimants et les lasers

Pour rendre la fusion utile, les scientifiques doivent la déclencher de manière contrôlée afin de produire beaucoup plus d’énergie qu’ils n’en mettent dans la fusion. Cette énergie peut ensuite être utilisée pour faire bouillir de l’eau, faire tourner une turbine ou produire de l’électricité. Des équipes du monde entier étudient différents moyens d’y parvenir, mais les approches tendent à se répartir en deux grandes catégories.

La première consiste à utiliser des aimants pour maintenir le plasma sous contrôle. C’est l’approche utilisée par ITER, le plus grand projet de fusion au monde, actuellement en construction dans le sud de la France. L’autre approche consiste à confiner le combustible de fusion et à le comprimer dans un espace restreint à l’aide de lasers. C’est l’approche utilisée, par exemple, par le National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie.

La création d’une petite étoile artificielle nécessite des recherches à grande échelle, de sorte que les expériences de fusion font souvent appel aux instruments scientifiques les plus puissants jamais construits. Le solénoïde central d’ITER, par exemple, peut générer une force magnétique suffisamment puissante pour soulever un porte-avions de deux mètres hors de l’eau.

Pourquoi c’est sûr?

La construction de matériel capable de résister à ces conditions extrêmes pose d’énormes défis scientifiques et techniques. La gestion de telles expériences à grande échelle n’est pas non plus une tâche facile. ITER a débuté avec un coût initial estimé à 6,6 milliards d’euros, qui a depuis plus que triplé. Sa construction a débuté en 2007 et les premières expériences commenceront en 2025.

L’un des avantages de la complexité des réactions de fusion est qu’il est presque impossible de provoquer un emballement ou une fusion du type de celles qui ont détruit des centrales nucléaires comme Tchernobyl. Si un réacteur à fusion est perturbé, la réaction s’arrête rapidement. En outre, le principal « déchet » de la fusion de l’hydrogène est l’hélium, un gaz inerte. Ce processus peut entraîner la radioactivité de certains matériaux du réacteur, mais la radioactivité est beaucoup plus faible et la quantité de déchets dangereux est beaucoup moins importante que dans les centrales nucléaires classiques. L’énergie de fusion nucléaire pourrait donc devenir l’une des sources d’électricité les plus sûres.

Deux problèmes : les politiciens et l’argent

Mais il est difficile pour les décideurs d’investir dans un projet de recherche coûteux qui pourrait ne pas porter ses fruits avant des décennies. Le progrès scientifique ne suit pas toujours le rythme des échéances politiques : un homme politique qui donne le feu vert à un projet de fusion ne vivra peut-être même pas assez longtemps pour le voir devenir une source d’énergie viable – et ce n’est certainement pas une monnaie d’échange politique à utiliser lors des prochaines élections.

L’Union européenne consacre actuellement environ 680 millions d’euros par an à la fusion nucléaire, ce qui peut sembler une somme importante, mais qui est sans commune mesure avec les plus de 50 milliards d’euros de subventions accordées aux énergies fossiles. Les Américains dépensent quelque chose comme 400 millions d’euros par an pour la fusion nucléaire. Ce pays consacre plus de 600 milliards par an à la défense.

La bonne nouvelle, c’est que les investisseurs sont de plus en plus nombreux à prendre le train en marche et qu’ils injectent actuellement des milliards dans des start-ups privées qui développent leurs propres stratégies de fusion. L’une de leurs motivations est la suivante : la quête de la fusion nucléaire a déjà apporté de nombreux bénéfices dans d’autres domaines, notamment en physique des plasmas, largement utilisée dans la production de semi-conducteurs pour l’électronique.

Bien plus que de la simple physique

Et malgré les obstacles, de réels progrès ont été réalisés récemment. L’équipe de l’installation de fusion nucléaire chinoise – le tokamak supraconducteur expérimental avancé (EAST) – a déclaré que le 30 décembre 2021, elle a pu générer un plasma à 70 millions de degrés Celsius et le maintenir pendant 1.056 secondes. C’est un record pour la fusion nucléaire. Les chercheurs du NIF américain ont annoncé l’été dernier qu’ils avaient obtenu leurs meilleurs résultats à ce jour – 1,3 mégajoule de sortie pour 1,9 mégajoule d’entrée – ce qui les rapproche plus que jamais de la fusion à énergie positive.

Comme mentionné, le problème de la fusion nucléaire est que sa perception est encore celle d’une expérience scientifique intéressante. Cependant, les scientifiques et les ingénieurs pensent que la fusion nucléaire est non seulement possible, mais inévitable. Tout comme l’exploration spatiale est plus que de l’astronomie, la fusion nucléaire est bien plus que de la physique. Elle pourrait être un outil de premier plan dans la lutte contre les problèmes les plus pressants de la planète, qu’il s’agisse du changement climatique ou de la lutte contre la pauvreté.

L’amélioration de l’accès à l’énergie est étroitement liée à l’amélioration de la santé, de la croissance économique et de la stabilité sociale. Pourtant, près d’un milliard de personnes sur notre planète n’ont toujours pas d’électricité et beaucoup d’autres n’en ont qu’occasionnellement. Il y a donc un besoin humanitaire urgent de plus d’énergie.

Pas tout de suite, mais si on peut le faire…

Dans le même temps, la fenêtre d’atténuation du changement climatique se referme et la production d’électricité et de chaleur reste la principale source de gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Pour atteindre l’un des objectifs de l’accord de Paris sur le climat – limiter le réchauffement à moins de 1,5 degré Celsius au cours du siècle – le monde doit réduire les émissions de gaz à effet de serre de moitié ou plus d’ici à 2030, selon le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat. Bon nombre des principaux émetteurs de gaz à effet de serre dans le monde ont également pour objectif de réduire à zéro leur contribution au changement climatique d’ici le milieu du siècle. Pour parvenir à une réduction aussi radicale des émissions, il faut éliminer progressivement les combustibles fossiles dès que possible et utiliser des sources d’énergie beaucoup plus propres.

Les technologies dont nous disposons aujourd’hui ne sont pas à même de résoudre la tension entre le besoin d’énergie et la nécessité de réduire les émissions de dioxyde de carbone. Un problème comme le changement climatique plaide en faveur de toutes sortes de solutions énergétiques de grande envergure, mais la fusion nucléaire est peut-être la technologie qui présente le plus grand potentiel de profit. Et sur des échelles de temps plus longues, cela pourrait être une véritable solution. Les bases doivent maintenant être posées par la recherche, le développement et la mise en œuvre. La fusion nucléaire pourrait très bien devenir la plus grande réalisation de l’humanité.

Pour l’instant, les grandes expériences de fusion au NIF et à ITER se poursuivent. Au NIF, les scientifiques continueront d’affiner leur processus et de progresser régulièrement vers la fusion à énergie positive. ITER devrait être opérationnel en 2025 et commencer les expériences de fusion de l’hydrogène en 2035. Cela prendra donc un certain temps. Mais si ça marche…