Pourquoi nous n’avons pas encore de centrales électriques à fusion ; Combien de temps cela prendra

• Cela fait près de 90 ans que les scientifiques ont réalisé la première réaction de fusion en laboratoire.
• Mais essayer de créer de l’énergie à partir de la fusion présente de nombreux problèmes.
• Deux experts expliquent combien de temps il faudra attendre avant que des centrales à fusion soient possibles.

Au cours de l’année écoulée, les expériences de fusion nucléaire menées au National Ignition Facility ont franchi une étape importante lorsque leurs réactions ont produit plus d’énergie qu’elles n’en ont investi.

Ces exploits constituent une première monumentale pour la physique de la fusion et rapprochent l’humanité de l’exploitation du même type d’énergie colossale qui alimente notre soleil.

Alors que le NIF ne se concentre pas Concernant les applications commerciales, sa percée scientifique jette les bases d’un grand nombre d’institutions de recherche et de startups qui investissent des centaines de millions de dollars dans la construction des premières centrales électriques à fusion. Certains ont des objectifs ambitieux, affirmant qu’ils apporteront l’électricité aux foyers dès 2028.

Les usines de fusion pourraient théoriquement produire près de 4 millions de fois plus d’énergie que la combustion de charbon ou de pétrole – sans aucune émission de carbone.

Mais d’abord, les chercheurs doivent créer de manière fiable un plasma brûlant – un mélange auto-échauffant de noyaux atomiques et d’électrons libres – qui produit plus d’énergie qu’il n’en faut pour alimenter la réaction. C’est ce qu’Andrew Christlieb, qui fait partie d’un projet de fusion du Département américain de l’énergie à l’Université de Michigan, appelle le « pas zéro ».

“Ensuite, on se retrouve face à tout un tas de questions d’ingénierie” qui, selon lui, prendront au moins 20 ans à résoudre.

Ainsi, la perspective de centrales à fusion alimentant les villes américaines d’ici 2028 pourrait être trop ambitieuse pour les investisseurs affamés désireux d’inaugurer une nouvelle ère d’énergie propre.

Obstacle 1 : Il faut une tonne d’énergie pour exploiter la puissance du soleil

Il y a près de 90 ans, les scientifiques ont découvert pour la première fois comment produire de l’énergie à partir de la fusion. La fusion se produit lorsque plusieurs atomes se lient ou fusionnent pour former de nouveaux atomes.

Dans le processus, “un peu de masse est convertie en énergie, mais cette petite quantité de masse est convertie en beaucoup d’énergie”, a déclaré Christlieb.

Le soleil réalise la fusion nucléaire dans son noyau, où les températures sont de 27 millions de degrés Fahrenheit et la pression est 100 milliards de fois celle de l’atmosphère terrestre. Reproduire ces conditions sur Terre pour exploiter cette énergie est pour le moins un défi technologique.

Trois scientifiques ont réalisé un tel exploit pour la première fois en laboratoire en 1934, lorsqu’ils ont bombardé un type d’atome d’hydrogène avec un autre type de particule subatomique appelée deuton. Les résultats ont produit « un effet énorme », ont-ils rapporté dans Les actes de la Royal Society.

Mais maintenir une expérience de fusion pour générer des flux continus d’énergie est ce que les scientifiques recherchent depuis lors.

Il existe aujourd’hui trois manières pour les scientifiques de contrôler les réactions de fusion sur Terre : en forçant une capsule de carburant à imploser, en utilisant des champs magnétiques pour confiner le plasma ou en combinant les deux méthodes.

Les expériences de fusion au NIF utilisent des lasers pour la méthode d’implosion. Mais la quantité d’énergie nécessaire pour alimenter les lasers dépasse généralement l’énergie produite par la réaction de fusion.

Obstacle 2 : le tritium est rare et cher

Pour que les molécules soient suffisamment chaudes pour s’entrechoquer et fusionner, les chercheurs forment un plasma. C’est une bouillie de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium. Seulement un quelques grammes de chacun sont nécessaires.

Bien que le deutérium soit abondant, le tritium est extrêmement rare et coûte jusqu’à 30 000 $ le gramme.

Le stock actuel ne comprend qu’environ 55 livres. Les chercheurs espèrent fabriquer des réacteurs à fusion qui créeront leur propre approvisionnement en tritium.

Les couvertures d’élevage sont une option. Les neutrons de haute énergie issus des réactions de fusion frapperaient la « couverture » de lithium environnante et la diviseraient en hélium et tritium. Le tritium pourrait ensuite être collecté et réintroduit dans le réacteur.

Pour être opérationnels, les grands réacteurs comme le réacteur thermonucléaire expérimental international ont besoin de plusieurs livres de tritium chacun. ITER, le plus grand projet de fusion au monde, pourrait ne pas être opérationnel avant la années 2040et il est utilisé à des fins de recherche plutôt qu’à des fins commerciales.

L’un des principaux objectifs d’ITER est de produire un plasma brûlant. Une collaboration internationale entre l’Union européenne, les États-Unis, la Chine, la Russie et d’autres pays, qui dépasse également largement le budget. Initialement prévu pour être opérationnel d’ici 2016 pour environ 6,3 milliards de dollars, il a maintenant plusieurs années de retard et est plus de trois fois supérieur à l’estimation initiale du coût. Américain scientifique signalé.

Obstacle 3 : Il est difficile de contenir quelque chose de plus chaud que le soleil

Créer un dispositif de confinement magnétique pour contenir le plasma constitue un défi en soi. Le plasma doit atteindre températures de 150 millions de degrés Celsius et plus. C’est plus chaud que le soleil.

Même le récipient métallique le plus résistant à la chaleur ne peut pas contenir le plasma. Tout matériau serait endommagé.

L’un des Le plus commun Les solutions de confinement du plasma sont un tokamak. L’appareil fonctionne comme une sorte de « bouteille magnétique ». Les particules de plasma suivent les lignes invisibles du champ magnétique et ne s’éloignent pas.

Obstacle 4 : c’est une réaction capricieuse

Un dispositif de confinement du plasma métallique refroidirait également le contenu et arrêterait le processus de fusion. C’est l’une des raisons pour lesquelles les réacteurs à fusion ne peuvent pas connaître de fusions semblables à celles de Tchernobyl. C’est une réaction tellement capricieuse que les perturbations provoquent son refroidissement et son arrêt.

De plus, le plasma peut se comporter bizarrement.

“C’est comme lorsque vous pressez du Jell-O dans votre main”, a déclaré Christlieb. “Il trouve ces petits trous par lesquels s’extraire parce que votre main n’est pas parfaitement scellée.” Le tokamak doit pouvoir s’adapter aux changements du plasma.

Lorsque le plasma change de comportement, il peut interagir avec la paroi de l’appareil et l’endommager. Le laboratoire de Princeton expérimente métal liquide pour certains composants du réacteur à fusion. Jonathan Menard, directeur de recherche au laboratoire de physique des plasmas de Princeton, le compare au T-1000 de “Terminator 2”, ce qui le rend presque auto-réparable.

Obstacle 5 : le tritium est toujours radioactif

Bien que le tritium ait une durée de vie beaucoup plus courte demi-vie que le Plutonium-239 (12,3 ans contre 24 000 ans), le premier a été connu de s’infiltrer dans les eaux souterraines des centrales nucléaires.

Étant donné que les centrales à fusion constitueraient un tout nouveau type d’installation, il reste encore beaucoup d’inconnues lorsqu’il s’agit d’autres problèmes de sécurité.

Un rapport récent a examiné tout, des tremblements de terre aux incendies en passant par les attaques terroristes. Certains scénarios, comme les décharges électromagnétiques, où les systèmes magnétiques tombent en panne et provoquent un arc d’énergie – et les accidents impliquant des couvertures de reproduction nécessitent une étude plus approfondie, ont prévenu les auteurs.

Les experts pensent qu’il faudra des décennies pour obtenir une énergie de fusion commerciale

Malgré le grand nombre de défis, Menard et Christlieb étaient optimistes quant à l’avenir de l’énergie de fusion.

Mais on en est encore loin. “Il ne s’agit pas d’un chiffre à un chiffre”, a déclaré Ménard. Cela fait des décennies.

“L’éternelle plaisanterie sur la fusion est que cela se fera toujours dans 10 ans”, a déclaré Christlieb. Mais il pense que c’est plus proche que jamais.

Le gouvernement américain investit dans l’énergie de fusion depuis les années 1950. Le programme Fusion Energy Sciences du Département américain de l’énergie a un 763 millions de dollars budget pour 2023, qui pourrait atteindre plus d’un milliard de dollars l’année prochaine.

Le Association de l’industrie de la fusion estime l’investissement global dans la fusion à environ 6 milliards de dollars. Des magnats de la technologie comme Bill Gates et Sam Altman investissent de l’argent dans des projets de fusion.

Parvenir à une production commerciale d’énergie de fusion en deux décennies ne sera pas assez rapide pour répondre aux objectifs de nombreux pays d’adapter les énergies propres et de limiter le réchauffement climatique d’ici 2035.

Christlieb pense toujours que cela en vaut la peine. “Je suis ravi de penser que je vais voir cela se produire dans ma vie”, a-t-il déclaré.