Idaho National Lab étudie la sécurité de la fusion et la chaîne d’approvisionnement en tritium

Masashi Shimada fait des recherches sur la fusion nucléaire depuis 2000, lorsqu’il a rejoint le programme d’études supérieures de l’Université de Californie à San Diego. Il est actuellement le scientifique principal de l’installation de recherche appliquée sur la sécurité et le tritium (STAR) du laboratoire national de l’Idaho, l’un des principaux laboratoires de recherche scientifique du gouvernement fédéral.

Le domaine a beaucoup changé.

Au début de sa carrière, la fusion était souvent la cible de blagues, si tant est qu’on en parle. “La fusion est l’énergie du futur et le sera toujours” était le crack que Shimada entendait tout le temps.

Mais cela change. Des dizaines de start-up ont levé près de 4 milliards de dollars de financement privé, selon l’Association de l’industrie de la fusionun groupement de commerce de l’industrie.

Investisseurs et secrétaire du ministère de l’Énergie Jennifer Granholm ont appelé l’énergie de fusion le “Saint Graal” de l’énergie propreavec le potentiel de fournir une énergie presque illimitée sans libérer de gaz à effet de serre et sans le même type de déchets radioactifs de longue durée que la fission nucléaire.

Il y a toute une récolte exceptionnelle de nouveaux jeunes scientifiques travaillant dans le domaine de la fusion, et ils sont inspirés.

“Si vous parlez aux jeunes, ils croient en la fusion. Ils vont réussir. Ils ont un état d’esprit très positif et optimiste”, a déclaré Shimada.

Pour sa part, Shimada et son équipe font actuellement des recherches sur la gestion du tritium, un combustible populaire que de nombreuses start-ups de fusion poursuivent, dans l’espoir de préparer les États-Unis à une nouvelle industrie de fusion audacieuse.

“Dans le cadre de la nouvelle “vision audacieuse” du gouvernement pour la commercialisation de la fusion, la manipulation et la production de tritium seront un élément clé de leurs recherches scientifiques”, a déclaré Andrew Holland, PDG de Association de l’industrie de la fusion a déclaré à CNBC.

La fusion est une réaction nucléaire lorsque deux noyaux atomiques plus légers sont rapprochés pour former un seul noyau plus lourd, libérant “des quantités massives d’énergie”. C’est ainsi que le soleil est alimenté. Mais contrôler les réactions de fusion sur Terre est un processus compliqué et délicat.

Dans de nombreux cas, les combustibles pour une réaction de fusion sont le deutérium et le tritium, qui sont tous deux des formes d’hydrogène, le élément le plus abondant de l’univers.

Le deutérium est très commun et peut être trouvé dans l’eau de mer. Si la fusion est réalisée à grande échelle sur Terre, un gallon d’eau de mer aurait assez de deutérium pour produire autant d’énergie que 300 gallons d’essence, selon le ministère de l’Énergie.

Le tritium, cependant, n’est pas courant sur Terre et doit être produit. Shimada et son équipe de chercheurs du Idaho National Lab ont un petit laboratoire de tritium à 55 miles à l’ouest d’Idaho Falls, dans l’Idaho, où ils étudient comment produire l’isotope.

“Puisque le tritium n’est pas disponible dans la nature, nous devons le créer”, a déclaré Shimada à CNBC.

Actuellement, la majeure partie du tritium utilisé par les États-Unis provient de Laboratoire nucléaire national du Canada, dit Shimada. “Mais nous ne pouvons vraiment pas compter sur ces fournitures. Parce qu’une fois que vous l’utilisez, si vous ne le recyclez pas, vous utilisez essentiellement tout le tritium”, a déclaré Shimada. “Nous devons donc créer du tritium pendant que nous faisons fonctionner un réacteur à fusion.”

Il y a suffisamment de tritium pour soutenir les projets pilotes de fusion et la recherche, mais sa commercialisation nécessiterait des centaines de réacteurs, a déclaré Shimada.

“C’est pourquoi nous devons investir dès maintenant dans les technologies du cycle du combustible au tritium” pour créer et recycler le tritium.

Le tritium est radioactifmais pas de la même manière que le combustible des réacteurs à fission nucléaire.

“La désintégration radioactive du tritium prend la forme d’un faible émetteur bêta. Ce type de rayonnement peut être bloqué par quelques centimètres d’eau”, a déclaré Jonathan Cobb, porte-parole du Association nucléaire mondialea déclaré à CNBC.

La demi-vie, ou le temps nécessaire à la moitié d’une matière radioactive pour se désintégrer, est d’environ 12 ans pour le tritum, et lorsqu’il se désintègre, le produit libéré est de l’hélium, qui n’est pas radioactif, a expliqué Cobb.

En comparaison, la réaction de fission nucléaire divise l’uranium en produits tels que l’iode, le césium, le strontium, le xénon et le baryum, qui sont eux-mêmes radioactifs et ont des demi-vies allant de quelques jours à des dizaines de milliers d’années.

Cela dit, il faut encore étudier le comportement du tritium car il est radioactif. En particulier, l’Idaho National Lab étudie comment le tritium interagit avec le matériau utilisé pour construire une machine à fusion. Dans de nombreux cas, il s’agit d’une machine en forme de beignet appelée tokamak.

Pour qu’une réaction de fusion se produise, les sources de combustible doivent être chauffées dans un plasma, le quatrième état de la matière. Ces réactions se produisent à des températures exceptionnellement élevées, pouvant atteindre 100 millions de degrés, ce qui peut potentiellement avoir un impact sur la quantité et la vitesse à laquelle le tritium peut pénétrer dans le matériau contenant le plasma, a déclaré Shimada.

La plupart des conteneurs de réaction de fusion sont fabriqués en acier inoxydable spécial avec une fine couche de tungstène à l’intérieur. “Le tungstène a été choisi car il a la plus faible solubilité du tritium dans tous les éléments du tableau périodique”, a déclaré Shimada.

Mais les neutrons à haute énergie générés par la réaction de fusion peuvent causer des dommages par rayonnement même dans le tungstène.

Les recherches de l’équipe visent à fournir aux entreprises de fusion un ensemble de données leur permettant de déterminer quand cela pourrait se produire, afin qu’elles puissent établir et mesurer la sécurité de leurs programmes.

“Nous pouvons faire une réaction de fusion pendant 5, 10 secondes probablement sans trop de soucis” sur le matériau qui serait utilisé pour contenir la réaction de fusion, a déclaré Shimada à CNBC. Mais pour la production d’énergie à l’échelle commerciale, une réaction de fusion devrait être maintenue à des températures élevées pendant des années.

“Le but de nos recherches est d’aider le concepteur de réacteurs à fusion à prédire quand l’accumulation de tritium dans les matériaux et la perméation du tritium à travers la cuve atteignent des niveaux inacceptables”, a déclaré Shimada à CNBC. “De cette façon, nous pouvons définir des protocoles pour chauffer les matériaux (c.-à-d. étuvage) et éliminer le tritium du navire afin de réduire les risques de libération potentielle de tritium en cas d’accident.”

Alors que l’Idaho National Lab étudie le comportement du tritium pour établir des normes de sécurité pour l’industrie en plein essor, ses déchets sont beaucoup moins problématiques que les installations nucléaires à fission d’aujourd’hui. Le gouvernement fédéral étudie comment créer un dépôt permanent pour les déchets de fission depuis plus de 40 ans et n’a pas encore trouvé de solution.

“La fusion ne crée aucun déchet nucléaire radioactif à longue durée de vie. C’est l’un des avantages des réacteurs à fusion par rapport aux réacteurs à fission”, a déclaré Shimada à CNBC.