Sommaire N°9

Novembre 2004

Brigitte POUSSEUR

Avant-propos

Energie : un risque de pénurie ?

Bertrand CHÂTEAU

Quelles ressources mondiales pour quelles consommations ?

Jacques PERCEBOIS

La hausse des coûts semble inéluctable

Claude MANDIL

Investir pour l’énergie de demain

Richard LAVERGNE

La politique énergétique française depuis trente ans

Bernard LAPONCHE

Risques et contradictions de la politique énergétique française

Charles BEIGBEDER

L’ouverture du marché de l’électricité,
une opportunité pour les entreprises françaises

Jochen DIEKMANN

Allemagne : vers un développement durable sans le nucléaire

Ernst WORRELL

Etats-Unis : des «pionniers» montrent l’exemple

Lennart BODÉN

La Suède affiche ses ambitions

Anjali SHANKER, Samuel WATCHUENG, Pierrick YALAMAS

Les enjeux de l’électrification dans les pays en développement

Bernard BIGOT

Fusion thermonucléaire : les promesses d’ITER *

Raymond SENÉ

La fusion thermonucléaire : un défi, mais que de bluff !

Michel SPIRO, Hubert DOUBRE

Les avancées de la recherche sur les déchets nucléaires

Philippe CHARTIER

Perspectives et enjeux des énergies renouvelables

Benjamin DESSUS

Faut-il croire aux utopies technologiques ?

Guy POQUET

Habitat et transports : une difficile réduction des consommations en France

François DEMARCQ

Lutte contre l’effet de serre : le Bâtiment en première ligne

Olivier SIDLER

Construire un futur énergétique pérenne

Jean DELSEY

Des transports très gourmands

Thierry CHAMBOLLE

Comment réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’industrie ?

Quel devenir pour les entreprises artisanales

Jean-Yves ROSSI

Un « groupe » en devenir en Europe

François MOUTOT

Un secteur à part entière en France

Michel MARCHESNAY

L’artisanat dans un monde hypermoderne

Robert FOUCHET

Du soutien à la TPE au soutien au territoire

Christian MARBACH

Les défis à relever par les très petites entreprises

Didier LIVIO

De l’artisan à l’entreprise artisanale

Gaston JOUFFROY

Le « sens » de l’artisan

Jacques BARTHÉLÉMY

Des cadres juridiques nouveaux pour les TPE

Pierre RIVARD

Les trois visages de l’artisan du Bâtiment

PIERRE CHEMILLIER

Qualification et certification : quels progrès dans le Bâtiment ?

Bernard BIGOT

est Haut commissaire à l’énergie atomique.

Fusion thermonucléaire : les promesses d’ITER *

La poursuite des efforts internationaux pour développer et construire le réacteur expérimental ITER, puis un réacteur de démonstration produisant de l’électricité vers le milieu du siècle constitue un défi considérable.

La croissance continue de la population mondiale (+ 140 % depuis 1950) et la recherche d’un meilleur niveau de vie pour de larges fractions de cette population induisent une demande croissante d’énergie (+ 3 % en 2003), et ce, encore pour de nombreuses années, quels que soient les efforts d’économies d’énergie que l’on entreprenne. Cette demande, couverte actuellement pour environ 90 % par l’utilisation intensive des ressources fossiles (pétrole, gaz, charbon), sera de plus en plus difficile à satisfaire en raison de leur raréfaction prévisible au cours des prochaines décennies et de l’impact fortement négatif de leur combustion sur notre environnement et sur le climat. Concilier développement économique et préservation de la planète, c’est-à-dire concevoir un développement durable, est devenu une priorité absolue. La question de l’énergie a un rôle central dans son traitement.

C’est pourquoi un fort investissement dans le domaine de la recherche scientifique et du développement technologique est nécessaire au profit des sources d’énergie à faible impact climatique et environnemental. Seule une diversification des ressources ayant ces qualités permettra de répondre aux besoins énergétiques des différents pays au cours de ce siècle et des suivants. Dans ces conditions, est-il envisageable que la fusion thermonucléaire figure dans cette palette qui comporte déjà les énergies renouvelables d’origine hydraulique, solaire ou éolienne, mais aussi l’énergie nucléaire de fission, dans la mesure où les déchets à haute activité et vie longue qu’elle produit sont correctement traités ? C’est tout l’enjeu du projet ITER qui est d’abord un projet de recherche.

Bien que la réaction de fusion du deutérium et du tritium – deux isotopes de l’hydrogène – soit la réaction de ce type la plus aisée à réaliser en laboratoire, la mise au point d’un réacteur électrogène utilisant l’énorme quantité de chaleur libérée par cette fusion (collision de deux atomes qui n’en forment plus qu’un en émettant un neutron) s’est avérée plus complexe que celle d’un réacteur à fission consommant l’uranium (division d’un atome en deux atomes plus légers suite à l’absorption d’un neutron).

La fusion, une source d’énergie potentielle très attractive

Pour fusionner, les gaz doivent être portés à de hautes températures, plus de 100 millions de degrés, et être isolés de tout contact direct avec une paroi matérielle. Le combustible devient alors un plasma. Cet état de la matière correspond à un mélange d’électrons et d’atomes ionisés se déplaçant à grandes vitesses (plus de 1000 km/s) en connaissant de nombreuses collisions. On le rencontre dans le soleil et les étoiles où se produisent des réactions nucléaires similaires.

Parvenir, sur Terre, à une mise en condition et au maintien de la matière dans cet état, et récupérer l’énergie ainsi produite de façon contrôlée constitue un défi scientifique et technologique. Des travaux ont été entrepris dès 1938. L’investissement cumulé depuis cette date dans le monde est estimé à 40 milliards d’euros 2004. Un demi-siècle de recherches a permis une progression régulière. Mais des étapes clés restent encore à franchir avant d’espérer obtenir une production électrique issue de la fusion. Ces étapes concernent notamment la compréhension physique complète des conditions de stabilité de fonctionnement du plasma et le développement de matériaux capables de résister au flux thermique et au bombardement neutronique, et d’assurer dans la durée les transferts d’énergie en jeu.

Des ressources en quantité

Ces efforts patients et l’importance de ces investissements se comprennent au vu des enjeux scientifiques et des avantages potentiels de cette source d’énergie. En effet, cette source ne contribue pas à l’effet de serre et à la pollution atmosphérique. Elle rejette seulement de faibles quantités d’hélium, gaz sans aucun impact sanitaire ou environnemental, qui diffuse spontanément vers les couches supérieures de l’atmosphère.

Le combustible utilisé, bien qu’en faibles concentrations sur l’ensemble de la planète, est pratiquement inépuisable. Il est géographiquement bien réparti et pourrait donc garantir l’indépendance énergétique de chaque pays utilisateur : le deutérium est aisément extrait de l’eau de mer (14 g dans 420 l) le tritium est produit dans le réacteur lui-même, à partir du lithium, présent dans l’écorce terrestre ou les océans. Les ressources existantes en deutérium et lithium peuvent satisfaire les besoins en énergie de la planète pendant plusieurs centaines de milliers d’années au moins. En effet, ce combustible est d’une grande densité énergétique. à titre d’exemple, un seul kilogramme assurerait 2 % de notre consommation nationale journalière via le fonctionnement d’un réacteur délivrant 1000 mégawatts d’électricité, soit la puissance des grandes centrales électriques actuelles qui consomment quotidiennement, elles, l’équivalent de 6 250 tonnes de pétrole ou de 24 000 tonnes de charbon.

Un réacteur à fusion est sûr, par conception. Il ne peut y avoir ni emballement, ni explosion. Toute perturbation du plasma par rapport à son état normal entraîne un contact avec les parois, son refroidissement instantané et l’arrêt immédiat de toute production d’énergie.

La radioactivité produite est faible et son impact limité dans le temps. La quantité de tritium radioactif contenu à un instant donné dans la chambre du réacteur est de l’ordre du gramme. Ce tritium a une période de décroissance radioactive de 12,3 années et se transforme spontanément en hélium. La fusion du deutérium et du tritium produit également de l’hélium et des neutrons de hautes énergies. Les neutrons pénètrent et activent les matériaux métalliques constituant le réacteur, et la radioactivité de ces matériaux, certes volumineux, peut être maintenue à un niveau tel qu’ils seront sans danger au bout d’une centaine d’années. Ce laps de temps est très largement inférieur à celui des déchets radioactifs des réacteurs à fission.

Un demi-siècle d’investissements

Dès 1958, les recherches sur la fusion prirent de l’ampleur, principalement en Europe, au Japon, en Union soviétique et aux états-Unis. Parce que le confinement du plasma de deutérium-tritium ne peut être assuré par gravité comme dans les étoiles, deux voies de recherche se sont progressivement imposées : le confinement magnétique, avec une basse densité de combustible utilisé à l’état gazeux, et le confinement inertiel, avec une haute densité du combustible utilisé à l’état solide.

La technique considérée aujourd’hui comme la plus prometteuse est la première : la chambre du réacteur est un tore à l’intérieur duquel le plasma est confiné, loin de la paroi, par un champ magnétique. Le plasma maintenu à haute température constitue un foyer au sein duquel est injecté en continu du deutérium-tritium.

En 1968, de très bons résultats ont été obtenus par des chercheurs russes avec une configuration particulière de réacteur appelée tokamak. La plupart des laboratoires ont étudié ensuite des générations de taille croissante de cette configuration pour en améliorer la capacité de confinement du plasma. Aujourd’hui, le Joint European Torus (JET), conçu dans les années 70 et construit à Culham (Royaume-Uni), composante majeure du programme Euratom sur la fusion, est le tokamak qui a atteint les meilleures performances mondiales : il a produit une puissance de fusion de 16 mégawatts pendant une seconde.

Depuis les années 60, les progrès sont spectaculaires. Le facteur caractérisant les performances de ces installations, produit de la densité, de la température et du temps de refroidissement du plasma, a été multiplié par 100 000, soit un doublement en moyenne tous les dix-huit mois.

Un défi mondial de grande ampleur

Cette croissance régulière des performances a conduit dans les années 80 au lancement du projet « International Thermonuclear Experimental Reactor », ITER : un nom prédestiné, puisqu’il signifie la « voie » en latin.

Europe, Japon, Union soviétique et états-Unis conjuguèrent leurs efforts pour définir cette nouvelle étape, complexe et ambitieuse, et effectuer la R&D nécessaire pour tester ses composants clés, consentant un investissement proche du milliard d’euros entre 1985 et 2001. Ces travaux ont abouti à la définition des caractéristiques de l’installation.

ITER est conçu pour produire une puissance de fusion de 500 MW durant environ 500 secondes. Extrapolation raisonnable du JET, il constituera un nouveau bond en avant vers un réacteur électrogène. Il sera, en effet, un véritable amplificateur d’énergie, l’énergie de fusion produite étant 10 fois plus grande que l’énergie injectée pour chauffer le plasma. Cette amplification, 15 fois supérieure à celle du JET, se rapproche de celle, la cinquantaine, nécessaire pour un réacteur industriel. Le cœur du réacteur expérimental, constitué principalement de la chambre torique d’un volume de 800 m3 et entourée des bobinages supraconducteurs, qui créent un champ magnétique de confinement 100 000 fois plus grand que le champ naturel terrestre, occupera un volume cylindrique de 30 mètres de diamètre et de 30 mètres de haut.

Ce grand projet international auquel se sont jointes la Chine et la Corée et dont la construction, l’exploitation et le démantèlement requièrent un investissement de 10 milliards d’euros sur 40 années, est en cours de négociation, notamment pour arrêter les participations financières et procéder au choix de son implantation. L’Union européenne propose le site français de Cadarache.

Depuis quelques mois, le champ de cette négociation s’est élargi à l’étape de l’après-ITER dont l’objectif principal est la réalisation d’un réacteur de démonstration produisant de l’électricité vers le milieu du siècle. ITER ayant permis de s’assurer de la maîtrise du plasma thermonucléaire, ce second projet mettra l’accent sur la tenue des matériaux soumis à de hauts flux thermiques et neutroniques. Restera ensuite à rendre compétitif le coût du kilowatt/heure électrique, avec une pénétration du marché de l’énergie envisageable en fin de siècle.

Vers la maîtrise de l’énergie de fusion

Compte tenu de la complexité des phénomènes physiques impliqués et de l’intégration des hautes technologies à réaliser, la maîtrise de l’énergie de fusion ne peut être acquise sans un effort de recherche de longue haleine. Les résultats de très grande qualité, tant scientifiques que technologiques, obtenus dans les décennies passées incitent à poursuivre cet effort pour rendre cette nouvelle source d’énergie accessible à l’humanité.

ITER est à la charnière des progrès passés, qui donnent confiance en sa réussite, et des espoirs d’être à même de disposer, durant ce siècle, d’un réacteur fournissant de l’électricité dans des conditions compétitives.

Un tel objectif est un défi considérable. Il ne peut être relevé qu’en donnant une nouvelle dimension à la collaboration internationale afin de prendre l’indispensable relais de la recherche et de mobiliser la puissance industrielle nécessaire. Ces enjeux ne peuvent qu’encourager la communauté scientifique, les industriels associés et les gouvernements à conclure rapidement les négociations en cours pour engager la construction d’ITER, étape majeure sur « la voie » vers le réacteur à fusion.

*International Thermonuclear Experimental Reactor

Bibliographie

  • Gia Tuong Hoang and Jean Jacquinot, Controlled fusion : the next step, in Physics World, Janvier 2004
  • Joseph Weisse, La fusion nucléaire, Que sais-je?, PUF, 2003
  • Le Soleil et la Terre, in Clefs CEA n°49, printemps 2004
  • Paul-Henri Rebut, L’énergie des étoiles, Editions Odile Jacob, 1999
http://www.constructif.fr/bibliotheque/2004-11/fusion-thermonucleaire-les-promesses-d-iter.html?item_id=2593
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