Fusionner l’avenir de l’énergie

Crédit image : © NNASA/CXC/INAF/Argiroffi, C. et al./S. Wiessinger

La fusion nucléaire était autrefois considérée comme de la physique-fiction par de nombreux commentateurs scientifiques : « C’est pour dans trente ans et il en sera toujours ainsi »,[1] était autrefois l’expression familière utilisée. Pourtant, il existe des signes forts montrant que l’énergie de fusion, loin d’être un fantasme, pourrait bientôt devenir une réalité. Et, ainsi, aider à sortir de la dépendance mondiale aux combustibles fossiles.

Récemment, les médias titraient « Le marché de la fusion nucléaire pourrait être valorisé à 40 000 milliards de dollars »[2] (Bloomberg Intelligence) et « La fusion nucléaire entre dans une nouvelle ère »[3] (Forbes), ce qui reflète un enthousiasme croissant autour de cette source d’énergie, qui pourrait finalement devenir viable pour un usage quotidien. Alors, pourquoi les avis sur la question ont-ils changé ? Et, plus important encore, avec la crise climatique et énergétique actuelle, dans combien de temps l’énergie de fusion pourrait-elle produire une partie conséquente de l’énergie dans le monde ?

© avec l’aimable autorisation du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du MIT Plasma Science and Fusion Center.

Potentiel non exploité ?

Les avantages de la fusion sont significatifs, malheureusement les obstacles technologiques aussi. Les progrès au cours de la deuxième moitié du siècle dernier ont été à la fois lents et encourageants.

En février 2022, les chercheurs du Joint European Torus (JET) exploité par le Centre Culham pour l’énergie de fusion dans l’Oxfordshire au Royaume-Uni, ont annoncé un nouveau record de fusion nucléaire après avoir enregistré une production de 59 mégajoules d’énergie de fusion, ce qui est suffisant pour faire fonctionner une ampoule de 60 watts pendant 11 jours. Même si cela représente peu de changements en termes de quantité d’énergie produite, cela a néanmoins été salué comme un signe que la fusion, un processus promettant une énergie propre et illimitée, était en passe de devenir une réalité. Le précédent record, également établi par JET 25 ans plus tôt en 1997, était de 22 mégajoules.

Parallèlement, le réacteur thermonucléaire expérimental international (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) est en construction dans le sud-est de la France depuis 11 ans et a déjà coûté des dizaines de milliards de dollars de plus que son budget initial de 6 milliards de dollars. Son coût de construction actuel de 22 milliards USD est soutenu par les gouvernements des deux tiers de la population mondiale, y compris l’UE, les États-Unis, la Chine et la Russie[4].

Bien sûr, il existe plusieurs autres alternatives à l’énergie fossile, notamment l’énergie solaire concentrée, l’énergie solaire photovoltaïque, les parcs éoliens terrestres/off-shore, la biomasse et la géothermie, pour n’en citer que quelques-unes. Elles contribuent déjà de manière importante à la transition énergétique nécessaire pour atteindre le « zéro émission nette ». Mais les avantages potentiels de la fusion nucléaire continuent d’attirer des investissements de la part de Jeff Bezos[5], Bill Gates[6] et de la branche d’investissement de la famille Jameel, JIMCO, qui suit l’engagement de longue date d’Abdul Latif Jameel en faveur des énergies durables, telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire.

Avantages de l’énergie de fusion

Les émissions de carbone, qui comprennent les gaz à effet de serre (GES) tels que le dioxyde de carbone et le méthane, sont un facteur incontournable du changement climatique planétaire. Plus il y a de GES dans l’atmosphère, plus le climat se réchauffe. Et malgré nos efforts, la situation s’aggrave. En 2021, le dioxyde de carbone moyen mondial a atteint un nouveau record de 414,72 particules par million[7].

L’avantage de la fusion nucléaire est qu’il n’y a pas d’émissions de carbone. Et contrairement à l’énergie plus connue de la fission nucléaire, les réacteurs de fusion ne produisent pas de déchets nucléaires à forte activité et longue durée de vie. La seule activation radioactive concerne les composants du réacteur de fusion lui-même et elle est suffisamment faible pour que les matériaux soient recyclés ou réutilisés en moins de 100 ans[8].

Contrairement aux combustibles de la fission nucléaire, appelés « matières fissiles », comme l’uranium ou le plutonium, par exemple, les matières premières utilisées dans la fusion nucléaire sont abondantes, inoffensives (ni fissiles, ni fissionnables, ni enrichies d’aucune façon), ce qui signifie qu’il n’y a aucun risque qu’elles soient utilisées pour l’armement et qu’elles sont beaucoup plus faciles à obtenir. Le deutérium peut être extrait de l’eau et le tritium sera produit à l’intérieur de la centrale électrique à partir du lithium, un élément abondant dans la croûte terrestre et dans l’eau de mer.

Le processus est également très productif : un kilogramme de carburant de fusion pourrait fournir la même quantité d’énergie que 10 millions de kilogrammes de carburant fossile. Une centrale de fusion d’un gigawatt consommerait moins d’une tonne de carburant pendant toute une année d’exploitation. Un seul gramme de carburant peut produire 90 000 kilowattheures d’énergie. La sécurité est également une préoccupation majeure. L’histoire de la fission nucléaire conventionnelle est tristement ponctuée d’accidents et d’accidents évités de justesse. Les autorités craignent que des composants clés tombent entre de mauvaises mains et soient utilisés dans la fabrication d’armes nucléaires. Ce n’est pas le cas avec l’énergie de fusion. Comme indiqué ci-dessus, les quantités de carburant utilisées sont minimes – le poids d’un timbre postal – et ne sont ni « fissibles » ni enrichies ; de sorte qu’il n’y ait pas de risque de fusion ou d’emballement.

« J’aime dire aux gens que la fission nucléaire est facile à démarrer et difficile à arrêter. L’énergie de fusion, c’est l’inverse », explique Christofer Mowry, ancien président-directeur général de l’un des principaux acteurs du secteur, General Fusion[9] au Canada.

Les défenseurs des centrales électriques de fusion affirment qu’elles ont le potentiel de fournir un approvisionnement presque illimité en énergie, à faible coût et avec un risque minimal[10], des avantages qui valent vraiment la peine de faire l’objet de recherches.

Fusion vs Fission

Les centrales nucléaires conventionnelles reposent sur la fission, c’est-à-dire la division du noyau d’un atome lourd, généralement de l’uranium, en nucléides plus légers. L’énergie libérée est utilisée pour faire bouillir de l’eau afin de créer de la vapeur, qui fait ensuite tourner les turbines qui produisent de l’électricité.

La fusion est le procédé opposé. Il génère de la chaleur en combinant (ou en fusionnant) des atomes plus légers pour en fabriquer de plus lourds. La raison pour laquelle la fusion génère tellement d’énergie est que le nouvel élément pèse un peu moins que la somme de ses parties. Cette petite quantité de matière perdue est convertie en énergie selon la célèbre formule d’Albert Einstein, E = mc². Il s’agit du même procédé qui est à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et la plupart des étoiles. Dans la formule d’Einstein, « E » signifie énergie et « m » signifie masse. La dernière partie de la formule est « c », une constante qui mesure la vitesse de la lumière : 300 000 kilomètres par seconde. Il est ensuite élevé au carré, un énorme multiplicateur pour la matière qui est convertie en énergie, faisant de la fusion une réaction extraordinairement puissante[11].

Cependant, ce n’est pas un processus simple. Pour que la fusion se produise, les atomes doivent entrer en collision. Le problème (ou l’un d’entre eux) est que leurs noyaux, les noyaux chargés positivement des atomes à l’intérieur d’un nuage d’électrons chargé négativement, se repoussent naturellement. Pour surmonter cette force de répulsion, les atomes doivent se déplacer incroyablement rapidement dans un espace confiné. Notre Soleil et d’autres étoiles peuvent le faire, parce que leur masse astronomique génère d’énormes forces gravitationnelles qui font que les atomes se faufilent vers leur centre.

Ici, sur Terre, nous avons besoin d’une approche différente. C’est ce qui préoccupe nos meilleurs physiciens et ingénieurs depuis des décennies. Le processus de fusion a été démontré à petite échelle en laboratoires, mais la complexité du processus est telle qu’il n’a pas encore généré plus d’énergie qu’il n’en consomme.

La réaction nécessite la création d’un état de matière à haute énergie : le plasma. Il s’agit d’un état de matière ionisé similaire à un gaz. Composés de particules chargées (noyaux positifs et électrons négatifs), les plasmas sont des environnements très ténus, près d’un million de fois moins denses que l’air que nous respirons[12]. Le plasma nécessite des températures très élevées – 50 millions de degrés Celsius – et doit être maintenu stable sous une pression intense, suffisamment dense et confiné pendant suffisamment longtemps pour permettre aux noyaux de fusionner.

Différentes approches de la fusion

Pour que la fusion soit utile, le plasma doit être créé de manière contrôlée afin que l’énergie résultante puisse être récoltée. Il existe actuellement deux approches fondamentales, avec quelques variations. L’une, adoptée par le National Ignition Facility du laboratoire national Lawrence Livermore en Californie, est de confiner le carburant de fusion et de le comprimer à l’aide de lasers. C’est ce qu’on appelle la fusion par confinement inertiel (FCI).

L’autre approche est généralement appelée fusion par confinement magnétique (FCM) et utilise des aimants extrêmement puissants qui créent un champ magnétique, un « flacon », pour isoler et contenir le plasma. Au cœur de cela se trouve un type de réacteur de FCM en forme de beignet appelé tokamak. Il utilise des champs magnétiques de haute intensité pour chauffer un plasma d’hydrogène à des centaines de millions de degrés Celsius, et maintenir ce plasma à un niveau stable pendant que ses atomes se combinent. L’objectif est de maintenir ensemble le plasma suffisamment longtemps pour permettre à une quantité importante de fusion de se produire. Le record actuel n’est que de six minutes.

Une variation de ces approches est la fusion à cible magnétisée (MTF), qui combine à la fois les caractéristiques de la FCM et de la FCI, mais nécessite moins d’ingénierie et moins de ressources. Comme avec l’approche magnétique, le combustible de fusion est confiné à une densité plus faible par champs magnétiques pendant qu’il est chauffé dans un plasma. Comme avec l’approche inertielle, la fusion est initiée en pressant rapidement la cible pour augmenter considérablement la densité et la température du carburant. Bien que la densité résultante soit bien inférieure à celle de la FCI, on pense que la combinaison de temps de confinement plus longs et d’une meilleure rétention de la chaleur permettra à la MTF de fonctionner, tout en étant plus facile à construire.

Nous pensons qu’un réacteur commercial de fusion sera suffisamment viable pour rivaliser avec d’autres formes d’électricité. L’objectif est un coût de 50 USD par mégawatt-heure, le même que le charbon. Bien que d’autres formes d’énergie renouvelable puissent être moins chères, elles ne sont pas aussi fiables ou flexibles.

Investir dans l’énergie de demain

En tant qu’investisseur engagé pour l’énergie durable avec une volonté d’atteindre le « zéro émission nette », Abdul Latif Jameel, par l’intermédiaire de la Jameel Investment Management Company (JIMCO), a choisi d’investir dans deux des pionniers mondiaux du secteur de l’énergie de fusion : Commonwealth Fusion Systems (CFS) – une initiative du MIT Plasma Science and Fusion Center basé à Boston, qui compte Jeff Bezos et Bill Gates parmi ses soutiens[13] – et General Fusion, basée au Canda, qui est également soutenue par Bezos.

En décembre 2021, le Fonds technologique JIMCO a participé à la levée de fonds de Série B de CFS, d’un montant de 1,8 milliard de dollars, afin d’accélérer la commercialisation de l’énergie de fusion. Ce même mois, il a également annoncé sa participation à la levée de fond de 130 millions USD pour le financement de série E de General Fusion.

La technologie de General Fusion utilise l’approche MTF décrite ci-dessus pour chercher une voie intermédiaire entre la FCM et la FCI. Dans ce processus, le réacteur n’a pas besoin d’un confinement magnétique, car il utilise des impulsions électriques puissantes pour créer des « bouffées de plasma » auto-stabilisantes qui sont ensuite injectées dans le cœur du réacteur. Il a été comparé à un anneau de fumée, dans lequel les courants d’air à l’intérieur de l’anneau conservent sa forme pendant quelques secondes avant de disparaitre[14]. Les « bouffées de plasma » ne durent qu’environ 20 millisecondes, mais elles sont suffisamment longues pour être comprimées.

Le cœur du réacteur de General Fusion sera doublé de lithium fondu et de plomb. Une fois qu’une bouffée de plasma a été injectée, les rangs de pistons entraînés par un gaz compriment le noyau, le faisant passer d’un cylindre à une sphère et augmentant considérablement le taux de fusion.

L’enveloppe en métal liquide du réacteur comprime non seulement le plasma, mais capture également l’énergie de la réaction. Le métal chauffé sera acheminé vers un échangeur thermique et utilisé pour créer de la vapeur. Les neutrons de la réaction de fusion, quant à eux, transformeront une partie du lithium en plus de tritium, ce qui autrement serait rare et coûteux. Le réacteur peut également augmenter ou diminuer la puissance de sortie de dix fois en modifiant la vitesse à laquelle le noyau tourne. Cela devrait lui permettre de « suivre la charge », en augmentant la production lorsque la demande en électricité est élevée et en la réduisant lorsqu’elle est faible.

La compression par laser, telle que celle utilisée à la National Ignition Facility, prend quelques milliardièmes de secondes. Mais la compression utilisée dans le réacteur de General Fusion prend des millièmes de secondes, ce qui la place dans une gamme d’électronique numérique beaucoup moins chère. Le résultat doit conduire à un réacteur moins cher et plus simple à construire et à utiliser qu’un réacteur à FCM ou FCI.

General Fusion est en train de construire un démonstrateur de fusion nucléaire à Culham, près de Londres, qui est le centre de la recherche sur la fusion au Royaume-Uni depuis des décennies. Ce site devrait commencer à fonctionner en 2025. La société a pour objectif de mettre ses premiers réacteurs sur le marché au début des années 2030.

Relever le défi du tokamak

Le Commonwealth Fusion Systems, basé à Boston, adopte une approche différente, basée sur la technologie du tokamak. Bob Mumgaard, président-directeur général et cofondateur de CFS, déclare que la société a l’intention de rendre son réacteur opérationnel dans six ans.

Dans un récent entretien pour un article Perspectives d’Abdul Latif Jameel, Mumgaard a expliqué comment son entreprise utilisait des superconducteurs à haute température (HTS) révolutionnaires fabriqués à partir d’oxyde de baryum-cuivre pour rendre les puissants aimants bien plus petits que ceux utilisés auparavant.

Cela signifie que le tokamak utilisé dans le réacteur pourrait également être beaucoup plus petit.

« La technologie des tokamaks actuelle exige qu’ils soient très grands pour créer le champ magnétique nécessaire pour obtenir une énergie nette pour la fusion», a-t-il déclaré, soulignant que le site de l’usine ITER en France mesure 1 kilomètre de long sur 400 m de large. « En développant ces aimants HTS dans les bonnes configurations, nous pouvons désormais fabriquer des tokamaks beaucoup, beaucoup plus petits, environ 40 fois plus petits qu’ITER, par exemple, ce qui change la donne pour les systèmes de fusion. »

Pour donner une idée de la force des aimants HTS, c’est-à-dire la force du champ magnétique, celle-ci est mesurée dans une unité appelée Teslas.[15] Les aimants utilisés par CFS dans ses réacteurs sont de 20 Teslas, ce qui est suffisamment puissant pour soulever un navire de combat. Mumgaard appelle le tokamak une « grande bouteille magnétique » où de puissants champs magnétiques réussissent à contenir du plasma à 100 millions de degrés : « astronomique ! ».

Après avoir réussi la preuve de concept en septembre 2021, le MIT et CFS construisent ensemble ce que Mumgaard appelle « la première machine de fusion à produire de l’énergie nette », c’est-à-dire le premier site de fusion qui produira plus d’énergie qu’elle n’en consomme ; 10 fois plus d’énergie, selon Mumgaard, avec une puissance de sortie de 100 MW[16]. Baptisée SPARC, elle est en cours de construction à Devens, dans le Massachusetts, et devrait être opérationnelle d’ici fin 2025.

Le pouvoir du capital privé

Les sommes d’investissement requises pour faire progresser la technologie de fusion sont telles, et la période d’amortissement tellement lointaine, que Fady Jameel, vice-président d’Abdul Latif Jameel, estime que les investisseurs privés sont essentiels à la réussite à long terme de l’énergie de fusion

« Le capital privé et les entreprises familiales ont tous deux l’avantage de la patience. Ils peuvent se permettre d’investir sur le long terme, parce qu’ils n’ont pas une multitude d’actionnaires qui exigent des retours sur investissements d’ici trois à cinq ans », a-t-il dit. « Ainsi, je pense qu’ils ont une opportunité unique, sans doute une responsabilité, d’investir dans ces types de technologies de pointe dans le cadre de leur continuité d’activité, et également en tant que responsabilité pour les générations futures. »

Abdul Latif Jameel lui-même a une longue expérience dans l’investissement dans les technologies énergétiques durables. La société possède également ses propres activités dans le secteur des énergies renouvelables, telles qu’Almar Water Solutions, une société leader dans le développement et la gestion des infrastructures et des services dans le domaine de l’eau, et Fotowatio Renewable Ventures (FRV), qui font toutes les deux partie d’Abdul Latif Jameel Energy. FRV dispose d’une gamme de projets de développement d’énergie durable, entre ses neuf fermes solaires en Australie et Clay Tye, le plus grand projet de développement de stockage de batteries du Royaume-Uni, qui contribuera à la décarbonisation du réseau énergétique britannique.

Des retombées inestimables

Avec un investissement dans l’énergie de fusion à des niveaux record, largement motivé par le capital privé plutôt que par les gouvernements, une question se pose : qu’est-ce que cela vaut vraiment ?

Bloomberg Intelligence[17] estime que le succès, qui serait d’arriver à un réacteur commercialement viable, est si proche qu’il vaut la peine d’essayer d’y répondre. Dans son article sur le sujet, il dit que l’énergie de fusion commercialement viable serait une réalisation « qui dépasserait l’échelle de Richter des progrès modernes ». Il pense que Tesla (le fabricant de moteurs) est ce qui s’en rapproche le plus, même si les retombées de l’énergie de fusion sont bien plus importantes.

En supposant que la fusion puisse remplacer 1 % de la production énergétique mondiale en gigawatts, cela impliquerait une valorisation de 40 000 milliards de dollars, conclut-il. Bien plus que cela, l’énergie de fusion pourrait renverser le marché de l’énergie, et ce faisant, transformer notre façon de penser ce qui est possible. Une énergie illimitée, propre, renouvelable et abordable pour tous.

Un avenir dans lequel il vaut certainement la peine d’investir, non ?

[1] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[2] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/

[3] https://www.forbes.com/sites/christopherhelman/2022/01/02/fueled-by-billionaire-dollars-nuclear-fusion-enters-a-new-age/

[4] https://www.sciencefocus.com/future-technology/fusion-power-future/

[5] https://www.cnbc.com/2019/03/06/bezos-microsoft-bet-on-a-10-trillion-energy-fix-for-the-planet.html

[6] https://www.nasdaq.com/articles/bill-gates-and-big-oil-are-chasing-the-nuclear-fusion-dream-2020-06-03

[7] https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide

[8] https://www.iter.org/sci/Fusion

[9] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[10] https://ccfe.ukaea.uk/fusion-energy/fusion-in-brief/

[11] https://www.vox.com/22801265/fusion-energy-electricity-power-climate-change-research-iter

[12] https://www.iter.org/sci/MakingitWork

[13] https://www.economist.com/the-economist-explains/2022/02/09/what-is-nuclear-fusion

[14] https://www.economist.com/science-and-technology/2021/06/24/the-race-to-build-a-commercial-fusion-reactor-hots-up

[15] Le Tesla (T) est une unité dérivée de l’intensité du champ magnétique B dans le système international d’unités. 1 tesla est égal à un 1 weber par mètre carré. 1 T en : est égal à l’unité de base SI : 1 kg⋅s−2⋅A−1 Symbole: T Dérivation : 1 T = 1 Wb/m2

[16] https://www.nature.com/immersive/d41586-021-03401-w/index.html

[17] https://www.bloomberg.com/professional/blog/nuclear-fusion-market-could-achieve-a-40-trillion-valuation/