• Hanns-J. Neubert

Énergie infinie.

Fusion w7x island chain

Technologie. La fusion nucléaire pourrait être le moyen de résoudre tous les problèmes énergétiques de l'humanité d'une manière respectueuse de l'environnement et du climat pour toujours. Les scientifiques et les ingénieurs font des recherches sur cette technologie depuis plus de 70 ans. Récemment, ils ont fait d'énormes progrès.

Prométhée a un jour volé le feu du char solaire d'Hélios et l'a apporté au peuple. Aujourd'hui, les gens s'envoient utiliser une source d'énergie infinie, modelée sur le soleil.

La soi-disant fusion nucléaire a lieu à l'intérieur du Soleil depuis 4,6 milliards d'années. Lorsque les noyaux d'atomes d'hydrogène, appelés protons, fusionnent dans un processus continu, c'est-à-dire la fusion, une énorme quantité d'énergie est libérée. Il ne reste plus que l'hélium qui porte le nom du dieu Soleil, un gaz totalement neutre et inoffensif pour le climat, qui ne se combine avec aucun autre élément. Le carburant hydrogène a un autre avantage. Son prix est inégalé parce qu'il est disponible en abondance en tant que composante de l'eau. Une fois la centrale construite, quelques kilogrammes d'hydrogène suffiront à alimenter des villes entières en électricité pendant des mois. Pour qu'une telle fusion ait lieu, les noyaux atomiques doivent d'abord être libérés des électrons qui les entourent. Au soleil, cela se produit sous haute pression et à des températures d'environ 15 millions de degrés. Comme la terre n'est pas soumise à une telle haute pression, des températures dix fois plus élevées de 100 à 150 millions de degrés Celsius sont nécessaires ici.

Lorsque la température augmente, un plasma se forme, un gaz électriquement conducteur dans lequel les protons chargés positivement et les électrons chargés négativement se traversent mutuellement. Au fur et à mesure que la température augmente, les particules deviennent de plus en plus rapides jusqu'à ce qu'elles atteignent un point où elles ont assez d'énergie pour surmonter la répulsion mutuelle et la fusion. Maintenant, un multiple de l'énergie utilisée est libéré.

Cependant, si seulement des traces de substances étrangères, comme la poussière provenant des parois du réacteur, pénètrent dans un tel plasma, celui-ci s'effondre immédiatement. Il n'y a plus de fusion. D'une part, c'est positif, car une centrale à fusion ne pourrait jamais exploser ou devenir incontrôlable. Il cesserait de produire de l'énergie en cas de dysfonctionnement. D'un autre côté, cela rend le processus très compliqué. Après tout, le plasma ne doit pas entrer en contact avec les parois d'un réacteur.

L'éviter est probablement l'une des tâches les plus difficiles que les physiciens et les ingénieurs veulent résoudre. Si la fusion nucléaire doit produire de l'énergie de façon permanente, le plasma doit également être maintenu en équilibre de façon permanente. Pendant longtemps, la fusion a donc été davantage un terrain de jeu pour les chercheurs en sciences fondamentales pures. Aujourd'hui, on tente de le maintenir en suspension à l'aide de champs magnétiques extrêmement puissants.

Parfois, cela fonctionne si bien qu'il y a maintenant une course mondiale pour savoir qui réussira le premier dans une fusion permanente fiable et quel concept de réacteur serait le mieux adapté pour cela.

En Allemagne, les chercheurs travaillent même sur deux types de réacteurs, un tokamak appelé "ASDEX Upgrade" à Garching près de Munich et un stellarator appelé "Wendelstein 7-X" à Greifswald. Tous deux sont exploités par l'Institut Max Planck de physique des plasmas IPP.

Fusion Wendenstein

Le premier stellarator a été développé en 1951 sous le plus grand secret à Princeton. Son vaisseau plasma ressemble à un tube de bicyclette tordu avec des bobines magnétiques curieusement tordues. Le grand avantage de cette architecture brute est qu'un tel réacteur peut fonctionner en continu. Le Tokamak, en revanche, techniquement avancé, ne peut produire son énergie qu'avec des impulsions interrompues.

Wendelstein 7-X est le plus grand des 13 stellarators au monde. Les chercheurs y atteignent actuellement une température plasmatique de 40 millions de degrés. Cela ne suffirait pas pour une fusion ultérieure dans une centrale électrique. Wendelstein 7-X est donc en cours de reconstruction. "Les endroits où le plasma touche la paroi du récipient à plasma seront à l'avenir protégés par des tuiles en graphite refroidies à l'eau ", explique Isabella Milch, porte-parole de l'IPP. "Cela permet d'atteindre des températures plus élevées et, surtout, des décharges de plasma beaucoup plus longues." Les premiers essais devraient débuter dans deux ans.

La solution techniquement plus simple est le réacteur Tokamak. Avec une trentaine d'usines pilotes dans le monde, ce type d'installations est également le plus répandu. Il a été développé à l'Institut Kurtschatow de Moscou en 1952, également dans le plus grand secret. Le plasma flotte dans un tore entre des aimants puissants, généralement disposés en cercle en forme de " D ".

Aujourd'hui, le Tokamak ASDEX Upgrade in Garching est principalement utilisé pour rechercher les meilleurs modes de fonctionnement pour le plasma. ASDEX Upgrade est la seule machine au monde dont le récipient de plasma est entièrement recouvert de tungstène à l'intérieur. Les chercheurs peuvent maintenant déterminer si le tungstène interfère avec le plasma. C'est également un sujet de recherche sur les matériaux. "Par exemple, IPP a mis au point des composés de plaques de tungstène solides et de fibres de tungstène ", explique Milch.

Le tungstène est le métal ayant le point de fusion le plus élevé et donc le candidat idéal pour le revêtement intérieur des cuves de réacteur. "Mais c'est aussi assez cassant à l'origine. Le renfort fibreux rend le matériau plus souple et plus résistant à la rupture."

Le plus grand Tokamak du monde est ITER. Il est construit à Cadarache dans le sud de la France depuis 2013. Si tout se passe bien, vers 2025, il produira pour la première fois une fusion qui, à 500 mégawatts pendant une demi-heure, produira dix fois plus d'énergie que nécessaire pour chauffer le plasma. Quatre grammes d'hydrogène suffiraient pour cela - un saut quantique.

ITER est un effort technique considérable de la part de sept pays. Ici, chercheurs et ingénieurs, étudiants et post-doctorants d'Inde, du Japon et de Corée travaillent en étroite collaboration avec des collègues de Chine, de Russie, des Etats-Unis et d'Europe. En outre, 35 autres pays contribuent au succès avec des experts et des livraisons de composants. Après tout, 60 pour cent des travaux de construction nécessaires ont déjà été achevés.

Les pays membres ne versent pas d'argent directement, mais versent des prestations en nature ou en composantes. L'organisation de tout cela et le suivi de normes très strictes exigent une structure très rigide et beaucoup de temps. "Si ITER devait atteindre son objectif aussi rapidement et à moindre coût que possible, le projet aurait été conçu différemment. Nous y serions probablement d'ici là ", explique la porte-parole Sabina Griffith.

Mais ITER ne se limite pas à la construction d'une machine qui prouve que l'énergie de fusion est faisable à grande échelle. "L'autre objectif d'ITER est de développer une industrie mondiale de la fusion nucléaire. Parce que tous les composants sont assemblés simultanément dans 35 pays participants, nous formons l'industrie, les ingénieurs et les jeunes scientifiques."

En fait, cette affirmation n'est pas insignifiante. Car malgré toutes les discussions sur les objectifs climatiques nationaux, le problème du réchauffement climatique ne peut être résolu durablement qu'à l'échelle planétaire. À cet égard, le projet ITER est tourné vers l'avenir, d'autant plus que la coopération intensive et mondiale entre des personnes de cultures différentes et au-delà des querelles politiques peut également servir de base à un monde meilleur et plus pacifique.

Les nombreuses petites installations Tokamak du monde entier effectuent des recherches détaillées pour ITER. Également lors de la mise à niveau ASDEX à Garching. "Nous étudions des scénarios plasma à petite échelle pour ITER ", explique M. Milch. "Nous développons également un système spécial de chauffage à particules neutres, des capteurs de chaleur et des manomètres pour ITER chez IPP. Et nous participons aussi au développement du système de contrôle."

Dans le secteur privé également, la tentative de développer une industrie mondiale de la fusion nucléaire a été couronnée de succès. De nombreuses entreprises privées sont maintenant aussi engagées dans la course à la fusion nucléaire. Ils proclament atteindre leur objectif plus rapidement et pouvoir construire des réacteurs plus compacts et moins chers. Par exemple, la jeune start-up Commonwealth Fusion Systems (CFS), une spin-off du MIT, une université d'élite, a l'intention de tester un nouveau type d'aimant dans un petit réacteur qui sera plus tard utilisé pour construire son propre réacteur à fusion compact et peu coûteux. Le groupe d'armement Lockheed Martin étudie également un modèle particulièrement compact. Toutefois, les responsables de la plupart des projets privés hésitent à fournir des informations détaillées sur leur technologie. Souvent, on ne sait pas très bien quels sont leurs progrès réels et lesquelles des annonces sont utilisées principalement pour attirer les investisseurs.

L'un des plus éloignés semble être l'astrophysicien Michl Binderbauer, PDG de la société californienne TAE-Technologies. En attendant, il parle avec plaisir et en détail de l'évolution de son réacteur nommé "Norman", du nom de son directeur de thèse Norman Rostoker, le recteur de Spiritus derrière TAE, décédé en 2014.

Fusion TAE

La particularité du réacteur TAE est qu'il utilise le bore ainsi que l'hydrogène habituel pour le plasma et la réaction de fusion ultérieure. Ce mélange a l'avantage que les parois autour du plasma ne deviennent pas faiblement radioactives au fil du temps comme c'est le cas pour l'hydrogène pur. Le réacteur lui-même ressemble à un grand tube en forme de cigare. Aux deux extrémités, des plasmas sont générés qui sont ensuite injectés l'un contre l'autre.

De cette façon, les noyaux atomiques atteignent une force de pénétration particulièrement élevée dans le processus de fusion. "Les champs magnétiques nécessaires à ce plasma sont donc plus faibles, mais le plasma est encore plus stable ", explique Binderbauer. "Cela permet à l'appareil d'être plus compact et moins cher à fabriquer et à entretenir."

Binderbauer est conscient que la coopération scientifique et technique est également importante pour son entreprise. En tant que partenaire, il a gagné les universités de Princeton et de Californie, l'Oak Ridge National Laboratory, pour lequel il existe également une coopération avec ITER, ainsi que le célèbre Budger Institute for Nuclear Physics à Novosibirsk. Même Google est là. Ses algorithmes fournissent des solutions d'apprentissage machine et d'intelligence artificielle pour évaluer la vaste collecte de données à partir des nombreuses mesures.

Les étapes allant d'un plasma chaud à un plasma encore plus chaud et enfin à la fusion sont laborieuses et fastidieuses car le comportement du plasma flottant est si difficile à calculer. L'intelligence artificielle pour sélectionner et évaluer les données et les ordinateurs quantiques rapides pour les modèles mathématiques des plasmas et de la fusion pourrait accélérer les développements.

A ce jour, les investisseurs ont investi environ 600 millions de dollars dans la technologie TAE. Une nouvelle ronde de financement est prévue pour l'automne prochain. "Nous recherchons avant tout des partenaires stratégiques ", explique Michl Binderbauer, par exemple fabricant et développeur de supraconducteurs, d'aimants, de capteurs et de circuits électriques de haute technologie. Mais aussi des partenaires du secteur des centrales électriques ou des centrales électriques sont en demande.

Une telle coopération pourrait permettre aux scientifiques d'atteindre leur but plus rapidement que prévu. "Norman devrait atteindre des températures d'environ 35 millions de degrés cette année pendant 35 millisecondes", espère Binderbauer. "Si nous réussissons, nous sommes confiants que notre successeur Copernic nous amènera à 100 millions de degrés." TAE-Technologies ne serait alors pas loin de réaliser une fusion génératrice d'énergie dans dix ans.

ITER est encore actuellement un réacteur de recherche, mais la prochaine étape est déjà en cours de planification. Elle sera suivie d'une centrale de démonstration qui, à partir de 2048, montrera à petite échelle industrielle et en fonctionnement continu que les centrales à fusion sont en principe adaptées à l'approvisionnement énergétique de l'humanité.

Cela peut prendre encore plus d'années avant que l'électricité de fusion ne sorte de la prise en quantités infinies et presque gratuitement. Mais le rêve commence lentement à devenir réalité. ®

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Des déchets de valeur.

Pour tous les participants à ITER, le grand problème actuel est la supraconductivité. Les conducteurs constitués de certains métaux rares, mais aussi d'aluminium ou de plomb, deviennent supraconducteurs à des températures inférieures à moins 260 degrés Celsius. Le courant les traverse sans résistance et ne se perd pas.

Dans les réacteurs de recherche, ces supraconducteurs sont nécessaires pour générer des champs magnétiques forts et constants avec les enroulements des bobines magnétiques qui s'étendent sur des kilomètres. Des électro-aimants supraconducteurs sont également installés dans des appareils médicaux tels que les TRM et les TC. Enfin, les supraconducteurs pourraient un jour remplacer les longs câbles transcontinentaux en cuivre, qui perdent aujourd'hui beaucoup de courant en raison de leur résistance électrique.

Des recherches sont actuellement en cours pour réaliser la supraconductivité même à des températures plus élevées afin de réduire l'énergie nécessaire au refroidissement. Actuellement, des alliages spéciaux sont utilisés dans des expériences pour créer une ligne électrique sans résistance à moins 135 degrés Celsius.

Le gaz protonique dans le plasma est chauffé à plusieurs millions de degrés selon le principe des micro-ondes de cuisine, mais à un rendement extrêmement élevé. Les réchauffeurs appelés Gyrotron améliorent également la production de matériaux high-tech non métalliques, tels que les vitrocéramiques frittées à haute résilience. Il est utilisé, par exemple, pour les surfaces de cuisson, connues sous le nom de "Ceran".

Les plaques de tungstène développées à l'Institut Max Planck de physique des plasmas, renforcées par des fibres de tungstène, sont un nouveau matériau qui est toujours à la recherche de son application en dehors des recherches sur la fusion. Par exemple, il pourrait être utilisé pour d'autres pièces de machine soumises à des contraintes thermiques élevées, par exemple dans les moteurs ou dans les réactions chimiques.

TAE-Technologies a également développé un sous-produit intéressant, la spin-off TAE Life Sciences. Avec l'aide de sa technologie au bore-hydrogène issue de la recherche sur les réacteurs, les médecins testent l'utilisation de la thérapie par capture neutronique du bore (BNCT) pour le traitement du cancer.

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La fusion nucléaire peut-elle sauver le monde ?

Selon le consensus scientifique, le réchauffement de la planète ne doit pas augmenter de plus de deux degrés si l'on veut que l'humanité soit capable d'en gérer les conséquences à mi-chemin, mais à un coût élevé. Pour de nombreux écosystèmes, cependant, ce sera même trop, comme l'indique le rapport spécial du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) d'octobre 2018. De nombreux processus destructeurs du système terrestre sont déjà inexorables, comme l'élévation du niveau de la mer, qui ne pourra être stoppée pendant des centaines d'années à venir.

La fusion nucléaire, qui vise à remplacer tous les combustibles fossiles par leurs émissions de CO2, arrivera donc beaucoup trop tard pour arrêter le changement climatique.

C'est pourquoi l'humanité doit continuer à compter sur les énergies renouvelables - solaire et éolienne - comme solution provisoire. Et ce faisant, ils accepteront probablement la consommation de ressources de divers métaux et terres rares, qui sont utilisés pour les cellules solaires et les éoliennes et sont souvent produits dans des conditions inhumaines. A long terme, les énergies renouvelables ne seront probablement pas en mesure de répondre à la demande croissante de l'humanité - par exemple, l'énorme augmentation de la consommation d'énergie des chaînes de production.

Aujourd'hui, seule la fusion nucléaire a le potentiel de devenir l'énergie du futur pour un monde complètement nouveau dans lequel les gens s'efforcent d'atteindre un nouvel équilibre avec la nature et le climat. Il est donc d'autant plus important de fournir beaucoup plus de ressources intellectuelles et financières pour faire avancer cette technologie.

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Auteur : Hanns-J. Neubert

Photos : IPP, Matthias Otte // IPP, Wolfgang Filser // IPP, Thomas Henningsen // TAE

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