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SOMMAIRE

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2e partie : Histoire de la recherche sur la Fusion.

§ L'idée de la “fusion” § La “Bombe atomique” § Le premier réacteur § Dangers du nucléaire de fission § Avantages de la “fusion” § Risques limités de la “fusion” § Les pionniers § Progrès

§ L'idée de la “fusion”

Les scientifiques ont passé la seconde moitié du XIXe siècle et la première partie du XXe à essayer de comprendre ce qui faisait briller le Soleil et les étoiles. C'était un mystère pour eux que le Soleil puisse émettre une telle quantité d'énergie pendant des milliards d'années sans être à court de combustible. Vers la fin des années 30, ils avaient élucidé pour l'essentiel les réactions de fusion décrites plus haut, et tenaient la réponse. Cette réponse fut comme la graine d'une idée plantée dans de nombreux esprits, mais cette graine ne put cependant germer sur le moment, à cause de la deuxième guerre mondiale. Dès la fin de celle-ci, elle se mit aussitôt à germer. Que contenait cette graine ? C'était l'idée que si la fusion pouvait fournir son énergie au soleil pendant des milliards d'années, elle pourrait fournir de la même façon, et indéfiniment, de l'énergie sur la Terre — si on parvenait à la maîtriser.
Dans la mythologie grecque, Prométhée vole le feu des Dieux pour en faire profiter les humains, ouvrant ainsi la voie vers le progrès, la technologie, la civilisation. La science pourrait-elle dérober la flamme du Soleil pour la rallumer sur la Terre, pour le bien de toute l'humanité ? L'histoire de Prométhée finit mal : il fut enchaîné pour l'éternité à un rocher en punition de son crime. Mais les scientifiques d'après-guerre n'avaient pas à redouter les foudres d'un Zeus vengeur, et en fait, pensaient qu'il devait être relativement aisé de domestiquer la fusion. Les étoiles montraient que c'était facile : mettez ensemble suffisamment d'hydrogène, ajoutez de la gravité — et la fusion se produit. Sur la Terre, on ne dispose pas de certaines facilités offertes dans les étoiles, comme par exemple le poids équivalent à plusieurs milliers de fois celui de la Terre pour exercer une pression sur le “coeur” et chauffer l'hydrogène jusqu'à la température de fusion. Les scientifiques devaient donc trouver un autre moyen pour chauffer et compresser l'hydrogène — serait-ce si difficile ?
Si les années de guerre avaient été dévastatrices, elles avaient aussi produit quelques merveilles technologiques. Au début, on avait encore vu des hommes combattre à cheval, mais la guerre avait très vite tourné aux chars d'assaut blindés et rapides, aux bombardements à longue distance, aux avions à réaction, et, enfin à une bombe capable de détruire une ville entière. Chez nombre de scientifiques, après la guerre, régnait un esprit d'optimisme : si on avait pu faire autant de choses en six années de guerre, que ne pourrait-on faire en temps de paix ?

§ La “Bombe atomique”

L'une de ces choses consistait à développer l'énergie nucléaire. Mais il ne s'agissait pas de la fusion, il s'agissait de l'autre sorte de réaction, la fission, le processus à l'oeuvre dans la bombe atomique larguée sur Hiroshima et Nagasaki. La fission est en somme à l'opposé de la fusion. Dans la fission, certains des plus gros noyaux atomiques connus, comme ceux de l'uranium, sont cassé en deux nouveaux noyaux. Le noyau de départ est légèrement plus lourd que les fragments qui résultent de la fission, et cette masse est convertie en énergie durant le processus. À la différence de ce qui se passe avec la fusion, dans la fission, on n'a pas besoin de disposer d'une haute température : les gros noyaux se casseront facilement s'ils sont heurtés par un neutron rapide. Ce fut la découverte, en 1938, du fait que certains noyaux, quand ils se scindent, donnent naissance à des sous-produits, qui sont des neutrons, qui conduisit à penser que l'on pouvait ainsi mettre en route une réaction en chaîne : un noyau est frappé par un neutron ; il se casse et libère deux neutrons ; ces deux neutrons, à leur tour, frappent deux autres noyaux, qui se cassent en libérant quatre neutrons... et ainsi de suite. Cette réaction en chaîne est celle qui rend possible une bombe atomique — une bombe à fission : si vous prenez un de ces éléments appelés fissiles — comme l'uranium ou le plutonium — pour en faire un bloc qui dépasse une certaine taille dite “critique”, la réaction en chaîne démarrera spontanément, échappera à votre contrôle, et explosera en une fraction de seconde.

§ Le premier réacteur

Avant que les scientifiques ne s'impliquent dans le “Projet Manhattan” — nom donné au projet des Alliés durant la guerre pour fabriquer une bombe atomique — et mettent au point un explosif, ils ont fait des essais destinés à contrôler la réaction en chaîne, dans le premier réacteur construit au monde. Celui-ci a été installé en secret à l'Université de Chicago, sur un terrain de “squash”, en-dessous du stade lui-même, “Stagg Field”. Connu sous le nom de “Chicago Pile-1”, car c'était en fait une pile de blocs d'uranium et de graphite, ce réacteur fut construit sous la direction d'Enrico Fermi, le célèbre physicien Italo-Américain.
Le graphite absorbe les neutrons, et donc ralentit la réaction. Les blocs, dans la “pile”, étaient disposés soigneusement, de telle façon qu'il y ait suffisamment d'uranium rassemblé pour que la réaction s'entretienne, mais pas assez pour qu'elle s'emballe et explose. Il n'y avait aucun écran anti-radiations autour du réacteur, aucune protection contre une possible déflagration : Fermi avait suffisamment confiance dans ses calculs pour décider que cela n'était pas nécessaire.
Dans l'après-midi du 2 décembre 1942, un des assistants de Fermi retira doucement une barre de contrôle de graphite du cœur du réacteur. Cette réduction de la quantité de graphite dans le réacteur avait été calculée pour être tout juste suffisante pour permettre à la réaction en chaîne de s'enclencher. Fermi surveillait un compteur de neutrons et il vit que leur nombre augmentait en même temps qu'on faisait remonter la barre. En présence d'un groupe de dignitaires qui observaient, Fermi dirigea la première réacton nucléaire contrôlée pendant près d'une demi-heure, puis réinséra la barre de graphite pour l'arrêter.
Après la fin de la guerre, les ingénieurs ne perdirent pas de temps pour trouver un usage comercial à cette nouvelle technologie. Le premier réacteur qui produisit de l'électricité fut construit en 1951 auw États-Unis. Le premier qui fut raccordé au réseau pour l'alimenter le fut en Union Soviétique en 1954. Et le premier véritable site nucléaire commercial commença à fonctionner au Royaume-Uni en 1956. À cette époquee-là, nombreux étaient ceux qui pensaient que l'énergie nucléaire allait fournir de l'électricité bon marché et en quantité illimitée.

§ Dangers du nucléaire de fission

Mais utiliser la fission comme source d'énergie pose des problèmes. D'abord, parce que l'uranium est une ressource dont la quantité disponible est limitée, et selon certaines estimations, elle pourrait devenir rare avant la fin du XXIe siècle. Et puis c'est la question de la sécurité : du fait que le fonctionnement des réacteurs repose sur une réaction en chaîne, il est possible que cette réaction s'emballe trop rapidement, et que le réacteur soit amené à la surchauffe. Un réacteur ne peut pas provoquer une explosion comme une bombe atomique, parce que la matière fissile qu'il contient est trop dispersée, mais il peut entrer en surchauffe et faire fondre le cœur — comme cela s'est produit à Three Mile Island en 1979 — ou prendre feu, comme à Tchernobyl en 1986. Le réacteurs contiennent des tonnes d'uranium et de plutonium et, s'ils ont été en fonctionnement un certain temps, ils contiennent également des quantités importantes de combustible radioactif usagé, dont certains composants sont extrêmement dangereux pour la population. Quand des accidents se produisent, le danger est que les matériaux radioactifs se propagent à grande échelle. À Three Mile Island, ces matériaux ont été contenus. À Tchenobyl — non.
Troisième problème : les déchets. Une centrale nucléaire typique, d'une puissance de 1000 MagaWatts (1 GW) produit aux alentours de 300 mètres-cubes par an de déchets de bas et moyen niveau [de toxicité] et 30 tonnes de déchets de haut niveau. Ces quantités sont peu de chose par rapport à celle des déchets — parfois légèrement toxiques — provenant d'une centrale thermique fonctionnant au charbon. Mais les déchets nucléaires, dont une partie peut demeurer radioactive durant des centaines de milliers d'années, voire des millions d'années, constitue un problème beaucoup plus important dont il faut tenir compte. Les déchets de bas et moyen niveau peuvent être enfouis peu profondément, et leur radioactivité va décroître en quelques décades. Les déchets de haut-niveau, eux, doivent être traités d'une façon telle qu'ils soient inaccessibles aux hommes ou d'autres espèces animales durant des dizaines de milliers d'années. Le seul fait d'envisager cela constitue une grave question, et seulement quelques pays s'y sont attaqués en construisant des dépôts permanents très profond qui seront scellés une fois remplis. D'autres pays conservent leurs déchets nucléaires dans des sites de surface soigneusement gardés. L'ensemble des réacteurs en service dans le monde produit au total 10 000 m3 par an de déchets à hauts-risques.

§ Avantages de la “fusion”

Dans le monde agité de l'après-guerre, où un petit nombre de pays se lançaient dans la course à l'énergie nucléaire de fission, quelques savants prirent conscience du fait que générer de l'énergie par la fusion serait une bien meilleure idée.
les avantages en faveurs de la fusion sont en effet impressionnants.
Le combustible, d'abord : la fusion fonctionne à l'hydrogène, ou plus exactement, avec deux de l'hydrogène nommés deutérium et tritium. Le deutérium est un simple “deuteron” c'est-à-dire qu'il est composé d'une proton et d'un neutron, avec un électron ; le noyau du tritium lui, comporte deux neutrons. Si on opère la fusion du deutérium et du tritium, on obtient de l'hélium et un neutron.

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Si on les fait s'entrechoquer de façon suffisamment forte, un noyau de deuteron (D) et celui de tritium (T) vont fusionner en produisant de l'Hélium (4He), un neutron (n) et quantité d'énergie. (Avec la permission de EFDA JET)

Le deutérium peut être facilement extrait de l'eau. 1 atome sur 6700 de l'eau de mer est du deutérium. Cela peut sembler bien peu, mais étant donné l'énorme quantité d'eau que recèlent les océans, on dispose de suffisamment de deutérium pour satisfaire les besoins du monde entier en énergie pendant plusieurs milliards d'années.

Le tritium pose des problèmes plus délicats, car c'est un noyau instable dont la demi-durée de vie est de douze ans, et il doit donc être produit industriellement. La métode la plus facile pour cela est d'utiliser le lithium, un métal utilisé dans certaines batteries [ et maintenant très communément. NdT.] Le lithium, s'il est bombardé par des neutrons, se brise en donnant de l'hélium et du tritium. N'importe quelle source de neutrons peut produire cette réaction, et comme les réacteurs de fusion eux-mêmes sont de formidables productuers de neutrons, on a donc pensé qu'une partie des neutrons produits par le réacteur pourrait être utilisée pour produire son propre combustible de tritium. Le lithium peut être obtenu à partir de minerais extraits couramment dans les mines, et il y en a suffisamment pour fournir de l'énergie au monde pendant plusieurs centaines d'années. Et si on venait à en manquer, il y a assez de lithium dans l'eau de mer pour plusieurs millions d'années supplémentaires !

Cette abondance de combustible qui semble extraordinaire est compréhensible quand on considère la petitesse de la quantité nécessaire à un réacteur de fusion pour fonctionner. Une centrale à charbon de 1 GW nécessite 10000 tonnes de charbon — le contenu de 100 wagons — par jour. À l'opposé, une centrale à fusion de même puissance ne nécessiterait qu'un seul kilog de deutérium-tritium. Le lithium d'une seule batterie d'ordinateur portable et le deutérium fournipar 45 litres d'eau pourrait générer, par fusion une quantité suffisante d'électricité pour alimenter un utilisateur britannique moyen pendant trente ans.

§ Risques limités de la “fusion”

La fusion est un processus nucléaire ; on peut donc avoir des inquiétudes à propos de la sécurité de son fonctionnement. Il y a en effet des problèmes de sécurité concernant la fusion, mais ils sont petits par rapport à ceux que présente un réacteur à fission. Il est en fait très difficile de maintenair une réaction de fusion en fonctionnement : si un dysfonctionnement se produit dans le contrôle d'un réacteur à fusion, le processus s'arrête de lui-même, tout simplement. Et même si le processus se poursuivait, il n'irait pas loin, car il n'y a que très peu de combustible de fusion dans un tel réacteur. À la différence d'un réacteur à fission qui enferme en son cœur de quoi fonctionner pendant des années, le combustible d'un réacteur à fusion à u instant donné ne pèse que l'équivalent de 10 timbres-poste, et ne peut maintenir le réacteur en marche que quelques secondes seulement. Le combustible est en fait stocké à l'extérieur du réacteur, et ne présente aucun risque de déclencher une réaction : il ne peut “brûler” que s'il est d'abord porté à une température de plus de 100 millions de degrés C — dans le réacteur.

Le tritium est un gaz radioactif, donc dangereux pour les gens ; mais il du fait qu'il est produit sur le site, une centrale à fusion n'a pas besoin d'en conserver de grandes quantités. Dans le cas , où des terrorristes feraient sauter un réacteur à fusion ou feraient s'écraser un avion sur lui, ou même si un tremblement de terre ou un tsunami arrivait jusqu'à lui, comme à Fukushima, la quantité de tritium libérée ne nécessiterait aucune évacuation des résidents aux alentours du site. E tout état de cause, le tritium est une forme d'hydrogène, un gaz léger utilisé autrefois pour les ballons et les dirigeables ; sa tendance naturelle est de se dissiper verticalement dans les airs.

Un réacteur à fusion produit lui aussi des déchets radiocatifs mais, là encore, leur importance est dérisoire par rapport à ceux qui sont produits par une centrale de fission. La “cendre” produite par la combustion de fusion est de l'hélium, le gaz inerte sans danger utilisé pour gonfler les ballons dans les fêtes, les dirigeables modernes, et les appareillages à “résonnance nucléaire magnétique” ). Le métal et les autres matérieux utilisés dans la structure d'un réacteur de fusion, après avoir subi pendant des décades des bombardements par des neutrons de haute énergie issus des réactions induites, deviennent faiblement radiocatifs. Ainsi quand un site est démantelé, ils doivent être enfouis pour quelques dizaines d'années dans des puits peu profonds, jusqu'au moment où ils pourront être recyclés. Rien à voie avec les déchets hautement radioactifs qui nécessitent des milliers d'années pour refroidir.

§ Les pionniers

La fusion semble trop belle pour être vraie, et pour ses pioniers, à la fin des années 40 et au début des années 50, même s'ils n'en connaissaient pas encore tous les détails, il était clair que la fusion serait une source d'énergie infiniment supérieure à la fission. Il régnait un certain idéalisme parmi ces premiers adeptes de la fusion, qui se trouvaient presque tous au Royaume-Uni, aux États-Unis et en Union Soviétique. Tous les physiciens avaient été choqués par la puissance déchaînée par le “Manhattan Project”, et beaucoup d'entre eux éprouvaient un sentiment de responsabilité devant les dévastation que les bombes atomiques avaient causées. La fusion offrait une coie pour l'utilisation pacifique de l'énergie nucléaire, pour le profit de tous. Beaucoup de travaux initiaux concernant la fusion ont été faits dans les laboratoires d'armement, parce que c'est là que se trouvaient les physiciens du nucléaire, mais nombre d'entre eux abandonnèrent les laboratoires militaires pour poursuivre leurs travaux sur la fusion en dehors du complexe militaro-industriel.
Dans l'optimisme tedchnologique qui régnait à l'époque, les premiers pioniers pensaient qu'ils pouvaient être capables de maîtriser la fusion en une dizaine d'années, et commencèrent à convcevoir de sprojets commerciaux, dans le même temps que ceux mettant en œuvre la fission. Ils savaient qu'ils devaient porter leur combustible, l'hydrogène, à de très très hautes températures, au moins 100 million de degrés C. À de telles températures, les solides, les liquides, et même les gaz ne peuvent exister : il leur fallait donc s'occuper d'un plasma — ce quatrième état de la matière qui existe dans le cœur du Soleil, où les électrons chargé négativement et les positons circulent indépendamment les uns des autres.

§ Progrès

Au milieu du siècle dernier les sicentifiques ne savaient pas grand-chose sur les plasmas, et particulièrement sur les plus “chauds”, et ils avaient à mettre au point un système qui puisse contenir ce plasma, porter sa températuer à un dégré encore plus élevé que celle du cœur du Soleil, et le maintenir là sans qu'il touche les parois ; puisque sa température extrêmement élevée brûlerait ou ferait fondre n'importe quel matériau.
Les premiers enthousiastes de la fusion ne se laissèrent pas intimider par ces obstacles, et utilisèrent les différences radicales entre le plasma et les gaz normaux : le plasma est constitué de particules chargées électriquement. Quand des particules chargées se déplacent dans un champ électrique ou magnétique, elles subissent une force qui les pousse dan une direction spécifique. Les chercheurs commencèrent donc à concevoir des conteneurs traversés par de complexes champs magnétiques et électriques pour faire converger vers le centre les particules du plasma, et ainsi les éloigner des parois. Parfois ils utilisaient des tubes droits, d'autres fois des courbes, et d'autres formess encore.Au début, ils étaient faits en verre— le matériau de base préféré des scientifiques — suffidamment petits pour tenir sur la paillasse d'un laboratoire et d'où partait un impénétrable enchevêtrement de fils, de pompes et d'appareils de mesure.
Bientôt les chercheurs parvinrent à créer des plasmas dans leurs appareils et les porter à de hautes températures, même pour seulement une éphémère fraction de seconde. Ce n'était pas encore la fusion, mais les succès remportés dans le confinement des plasmas et leur réchauffement encouragèrent les scientifiques à forger de nouvelles idées, à construire plus d'appareillages et à les faire plus gros. Leurs concepteurs leur donnèrent des noms étranges, comme pinches, machines-miroir, stellarators, et tokamaks.
L'une des raisons pour lesquelles ils ne parvenaient pas à obtenir la température nécessaire à la fusion était que trop de chaleur s'échappait du plasma quand on en augmentait la quantité. Bientôt leurs machines devinrent trop grandes pour demeurer sur la paillasse d'un laboratoire, et occupèrent tout l'espace d'une pièce, puis de bâtiments grands comme des hangars.
Mais ils rencontraient aussi d'autres problèmes. En utilisant des caméras très rapides pour observer le plasma — qui émet de la lumière, tout comme celui d'un tube fluorescent — ils virent qu'il se tortillait, gonflait, comme s'il tentait de se libérer de ce qui l'emprisonnait. Ces phénomènes, appelés “instabilités”, n'avaient encore jamais été observés — peut-être parce que personne n'avait encore essayé de faire ces expérimentations avec le plasma. Pour trouver le moyen de les empêcher, les chercheurs durent adapter ou revoir leur théorie du plasma, à mesure qu'ils progressaient.
Un modèle commença à apparaître dans la recherche sur la fusion  : les scientifiques bâtissaient une nouvelle machine ; quand elle était mise en œuvre ils faisaient des progrès vers les conditions nécessaires à la fusion, mais pas autant qu'ils l'avaient prévu. Ceci était dû,soit au fait que la machine avait des performances insuffisantes, soit parce qu'ils rencontraient quelque nouveau type d'instabilité qui n'avait pas encore été envisagé. Pour avancer, il leur fallait alors construire une autre machine, plus grande et plus satisfaisante, — et ainsi de suite. La fusion acquit la réputation de promettre beaucoup mais de ne rien donner. La plaisanterie souvent faite était : « La fusion est l 'énergie du futur, et le sera toujours. »

Dans les années 80, les réacteurs avaient parcouru un long chemin depuis la paillasse des labos des premiers jours. Durant cette décade, les réacteurs les de fusion les plus puissants jusqu'à ce jour ont été achevés : Le “Joint European Torus” [Tore commun européen] or “JET” dont l'ensemble a la taille d'un bâtiment de trois étages, et son homologue américain, le “Tokamak Fusion Test Reactor”. [Réacteur de test pour la fusion de type Tokamak] Ces réacteurs sont considérés comme ceux qui devraient enfin permettre de marquer vraiment la première étape de la fusion : à “l'équilibre”, ou seuil de rentabilité, c'est-à-dire le moment où la puissance produite par la réaction de fusion devient égale à celle dépensée pour chauffer le plasma.
Jusque là, tous les réacteurs ont été des consommateurs d'énergie, leur bilan net étant en fait déficitaire. Si la fusion devait devenir viable en tant que source d'énergie, elle devait dépasser cette “barre”. Mais en dépit des efforts héroïques déployés par les chercheurs pendant plus de dix ans, aucune de ces grossse machines ne parvint au stade de “l'équilibre” . Le meilleur essai, réalisé en 1997 par le “JET” produisit 16 MegaWatts de puissance par fusion, mais ce n'était là qu'environ 70% de la puissance qui avait dû être injectée pour chauffer le plasma — c'était “presque ça”, mais pas encore ça !

NOTES

Tore : Anneau constitué de matérau susceptible de retenir un champ magnétique. Certaines mémoires des premiers ordinateurs étaient constituées de tores de ferrite. Dans ces projets, les “tores” ont des dimensions imposantes,sdeplusieurs mètres.

Tokamak : “Tokamak” est le nom donné à une “machin” cosnstituée de tores magnétiques destinés à confiner le plasma dans les expériméntations concernant le nucléaire de fusion. (Le mot vient du russe, ce suystème ayant été inventé par les avants russes Igor Tamm et Andréi Sakharov). “ITER” fonctionnera selon le même principe.