Depuis des siècles, les humains ont rêvé d'exploiter la puissance du soleil pour dynamiser nos vies ici sur Terre. Mais nous voulons aller au-delà de la collecte d'énergie solaire, et un jour générer le nôtre à partir d'un mini-soleil. Si nous sommes capables de résoudre un ensemble extrêmement complexe de problèmes scientifiques et techniques, l'énergie de fusion promet un vert, en sécurité, source d'énergie illimitée. À partir d'un seul kilogramme de deutérium extrait de l'eau par jour, l'électricité pourrait suffire à alimenter des centaines de milliers de foyers.

Depuis les années 1950, la recherche scientifique et technique a généré d'énormes progrès pour forcer les atomes d'hydrogène à fusionner dans une réaction auto-entretenue - ainsi qu'une quantité faible mais démontrable d'énergie de fusion. Les sceptiques et les partisans notent les deux défis restants les plus importants :maintenir les réactions sur de longues périodes de temps et concevoir une structure matérielle pour exploiter la puissance de fusion pour l'électricité.

En tant que chercheurs en fusion au Princeton Plasma Physics Lab, nous savons que de façon réaliste, la première centrale électrique à fusion commerciale est encore dans au moins 25 ans. Mais le potentiel que ses avantages démesurés arrivent dans la seconde moitié de ce siècle signifie que nous devons continuer à travailler. Des démonstrations majeures de la faisabilité de la fusion peuvent être accomplies plus tôt - et doivent, afin que l'énergie de fusion puisse être intégrée dans la planification de notre avenir énergétique.

Contrairement à d'autres formes de production d'électricité, comme le solaire, gaz naturel et fission nucléaire, la fusion ne peut pas être développée en miniature et ensuite être simplement étendue. Les étapes expérimentales sont grandes et prennent du temps à construire. Mais le problème de l'abondance, l'énergie propre sera un appel majeur pour l'humanité pour le siècle prochain et au-delà. Il serait téméraire de ne pas exploiter pleinement cette source d'énergie la plus prometteuse.

Pourquoi l'énergie de fusion ?

En fusion, deux noyaux de l'atome d'hydrogène (isotopes deutérium et tritium) fusionnent. C'est relativement difficile à faire :les deux noyaux sont chargés positivement, et donc se repoussent. Ce n'est que s'ils se déplacent extrêmement vite lorsqu'ils entrent en collision qu'ils se briseront ensemble, fusionner et ainsi libérer l'énergie que nous recherchons.

Cela se produit naturellement au soleil. Ici sur Terre, nous utilisons des aimants puissants pour contenir un gaz extrêmement chaud de noyaux et d'électrons de deutérium et de tritium chargés électriquement. Ce chaud, le gaz chargé est appelé plasma.

Le plasma est si chaud – plus de 100 millions de degrés Celsius – que les noyaux chargés positivement se déplacent assez rapidement pour surmonter leur répulsion électrique et fusionner. Quand les noyaux fusionnent, ils forment deux particules énergétiques – une particule alpha (le noyau de l'atome d'hélium) et un neutron.

Chauffer le plasma à une température aussi élevée nécessite une grande quantité d'énergie - qui doit être mise dans le réacteur avant que la fusion puisse commencer. Mais une fois que c'est parti, la fusion a le potentiel de générer suffisamment d'énergie pour maintenir sa propre chaleur, nous permettant de puiser l'excès de chaleur pour la transformer en électricité utilisable.

Le carburant pour l'énergie de fusion est abondant dans la nature. Le deutérium est abondant dans l'eau, et le réacteur lui-même peut fabriquer du tritium à partir du lithium. Et il est disponible pour toutes les nations, largement indépendant des ressources naturelles locales.

La puissance de fusion est propre. Il n'émet aucun gaz à effet de serre, et ne produit que de l'hélium et un neutron.

C'est sûr. Il n'y a aucune possibilité pour une réaction d'emballement, comme un "effondrement" de la fission nucléaire. Plutôt, en cas de dysfonctionnement, le plasma se refroidit, et les réactions de fusion cessent.

Tous ces attributs ont motivé la recherche pendant des décennies, et sont devenus encore plus attrayants au fil du temps. Mais les points positifs n'ont d'égal que l'important défi scientifique de la fusion.

Progrès à ce jour

Les progrès de la fusion peuvent être mesurés de deux manières. Le premier est l'avancée considérable dans la compréhension de base des plasmas à haute température. Les scientifiques ont dû développer un nouveau domaine de la physique - la physique des plasmas - pour concevoir des méthodes permettant de confiner le plasma dans des champs magnétiques puissants, puis faire évoluer les capacités à chauffer, stabiliser, contrôler la turbulence et mesurer les propriétés du plasma super chaud.

La technologie connexe a également énormément progressé. Nous avons repoussé les frontières en aimants, et des sources d'ondes électromagnétiques et des faisceaux de particules pour contenir et chauffer le plasma. Nous avons également développé des techniques pour que les matériaux puissent résister à la chaleur intense du plasma dans les expériences actuelles.

Il est facile de transmettre les mesures pratiques qui suivent la marche de la fusion vers la commercialisation. La principale d'entre elles est la puissance de fusion qui a été générée dans le laboratoire :la production d'énergie de fusion est passée de milliwatts par microsecondes dans les années 1970 à 10 mégawatts de puissance de fusion (au Princeton Plasma Physics Laboratory) et à 16 mégawatts pendant une seconde (au Joint Torus européen en Angleterre) dans les années 1990.

Un nouveau chapitre de la recherche

Aujourd'hui, la communauté scientifique internationale travaille dans l'unité pour construire une immense installation de recherche sur la fusion en France. Appelé ITER (latin pour "le chemin"), cette centrale produira environ 500 mégawatts d'énergie de fusion thermique pendant environ huit minutes à la fois. Si cette puissance était convertie en électricité, il pourrait alimenter environ 150, 000 foyers. A titre d'expérimentation, il nous permettra de tester des problèmes scientifiques et techniques clés en vue de la préparation de centrales à fusion qui fonctionneront en continu.

ITER utilise la conception connue sous le nom de "tokamak, " à l'origine un acronyme russe. Il s'agit d'un plasma en forme de beignet, confiné dans un champ magnétique très puissant, qui est en partie créé par le courant électrique qui circule dans le plasma lui-même.

Bien qu'il soit conçu comme un projet de recherche, et non destiné à être un producteur net d'énergie électrique, ITER produira 10 fois plus d'énergie de fusion que les 50 mégawatts nécessaires pour chauffer le plasma. C'est un grand pas scientifique, créant le premier "plasma brûlant, " dans lequel la majeure partie de l'énergie utilisée pour chauffer le plasma provient de la réaction de fusion elle-même.

ITER est soutenu par des gouvernements représentant la moitié de la population mondiale :la Chine, l'Union européenne, Inde, Japon, Russie, La Corée du Sud et les États-Unis C'est une déclaration internationale forte sur la nécessité, et promesse de, énergie de fusion.

La route en avant

D'ici, le chemin restant vers la puissance de fusion a deux composantes. D'abord, il faut continuer les recherches sur le tokamak. Cela signifie faire progresser la physique et l'ingénierie afin que nous puissions maintenir le plasma dans un état stable pendant des mois à la fois. Nous devrons développer des matériaux capables de supporter une quantité de chaleur égale à un cinquième du flux de chaleur à la surface du soleil pendant de longues périodes. Et nous devons développer des matériaux qui recouvriront le cœur du réacteur pour absorber les neutrons et produire du tritium.

Le deuxième volet sur la voie de la fusion est de développer des idées qui renforcent l'attractivité de la fusion. Quatre de ces idées sont :

1. À l'aide d'ordinateurs, optimiser les conceptions de réacteurs à fusion dans les contraintes de la physique et de l'ingénierie. Au-delà de ce que les humains peuvent calculer, ces conceptions optimisées produisent des formes de beignets torsadés qui sont très stables et peuvent fonctionner automatiquement pendant des mois. Ils sont appelés « stellarators » dans le domaine de la fusion.
2. Développer de nouveaux aimants supraconducteurs à haute température qui peuvent être plus puissants et plus petits que les meilleurs d'aujourd'hui. Cela nous permettra de construire plus petit, et probablement moins cher, réacteurs de fusion.
3. En utilisant du métal liquide, plutôt qu'un solide, comme le matériau entourant le plasma. Les métaux liquides ne se cassent pas, offrant une solution possible à l'immense défi du comportement d'un matériau environnant lorsqu'il entre en contact avec le plasma.
4. Systèmes de construction qui contiennent des plasmas en forme de beignet sans trou au centre, formant un plasma en forme presque comme une sphère. Certaines de ces approches pourraient également fonctionner avec un champ magnétique plus faible. Ces approches « tores compacts » et « bas champ » offrent également la possibilité d'une taille et d'un coût réduits.

Des programmes de recherche parrainés par les gouvernements du monde entier sont à l'œuvre sur les éléments des deux composants - et aboutiront à des découvertes qui profiteront à toutes les approches de l'énergie de fusion (ainsi qu'à notre compréhension des plasmas dans le cosmos et l'industrie). Au cours des 10 à 15 dernières années, des entreprises à financement privé se sont également jointes à l'effort, en particulier à la recherche de tores compacts et de percées à faible champ. Le progrès est à venir et il apportera abondant, nettoyer, énergie sûre avec elle.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.