ITER et la fusion sur Terre : mettre une étoile en bouteille
À Saint-Paul-lez-Durance, plus de trente pays assemblent le plus grand tokamak du monde. Son but : produire dix fois plus de puissance de fusion qu'il n'en reçoit. Où en est-on, et que font les autres machines ?
Le Soleil fusionne de l'hydrogène grâce à sa gravité écrasante. Sur Terre, il faut s'y prendre autrement : chauffer un gaz à plus de cent millions de degrés et l'empêcher de toucher quoi que ce soit. C'est le pari du tokamak, et de son plus grand représentant, ITER, en construction en Provence. Le chemin est long, et le calendrier a encore glissé en 2024 ; mais les machines du monde entier ont accumulé des résultats qui donnent la mesure du chantier.
Le tokamak, une cage magnétique
Inventé par des chercheurs soviétiques, le tokamak s'est imposé à la fin des années 1960. Son nom est un acronyme russe qui signifie à peu près « chambre toroïdale à bobines magnétiques ». Le principe : une enceinte à vide en forme d'anneau, ou de beignet, entourée d'énormes bobines. On y introduit un peu de gaz, on y fait passer un courant électrique intense : le gaz s'ionise et devient un plasma, un mélange de noyaux et d'électrons libres. Comme ces particules sont chargées, les champs magnétiques les guident et les maintiennent loin des parois.
Le combustible visé est un mélange de deux formes lourdes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium :
\mathrm{D} + \mathrm{T} \rightarrow {}^{4}\mathrm{He} + n
La réaction produit un noyau d'hélium et un neutron, qui emporte la plus grande part de l'énergie. Pour qu'elle se produise assez souvent, le plasma doit atteindre environ 150 millions de degrés, dix fois la température du cœur du Soleil. Le courant seul n'y suffit pas : on ajoute des chauffages auxiliaires.
ITER, une machine hors normes
Le traité ITER a été signé en 2006 par sept membres : la Chine, l'Union européenne, l'Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis. La construction a commencé en 2010 à Saint-Paul-lez-Durance, près du centre CEA de Cadarache. La machine pèsera 23 000 tonnes et son plasma occupera jusqu'à 830 mètres cubes.
Son objectif se résume par le facteur d'amplification Q :
Q = \frac{P_{\text{fusion}}}{P_{\text{chauffage}}}
ITER doit atteindre Q = 10, soit 500 mégawatts de puissance de fusion pour 50 mégawatts de chauffage injectés dans le plasma. Ce serait le premier « plasma en combustion » : la chaleur des réactions elles-mêmes, et non plus les chauffages extérieurs, entretiendrait l'essentiel de la température. Attention : ce gain concerne le plasma seul. ITER ne produira pas d'électricité ; c'est une expérience destinée à préparer les futurs réacteurs. Elle doit aussi tester des couvertures capables de fabriquer du tritium, un combustible presque absent dans la nature.
Le confinement repose sur des aimants supraconducteurs refroidis vers 4 K : dix-huit bobines toroïdales en niobium-étain de 11,8 teslas, un solénoïde central de 13 teslas, près de 10 000 tonnes d'aimants au total.
Un calendrier révisé
En 2024, l'organisation ITER a présenté à son conseil un nouveau calendrier de référence, dont le conseil a soutenu l'approche générale en novembre 2024. Il prévoit le début de l'exploitation scientifique en 2034, la pleine énergie magnétique en 2036 et les premières expériences deutérium-tritium en 2039. C'est nettement plus tard que les dates envisagées à l'origine : ITER est un prototype unique, assemblé à partir de pièces fabriquées sur trois continents, et chaque défaut découvert se paie en années.
Ce que les autres machines ont déjà montré
- JET, au Royaume-Uni, a été le plus grand tokamak du monde de 1983 à 2023. Il a réalisé en 1991 la première production contrôlée d'énergie de fusion deutérium-tritium, puis en 1997 16 mégawatts de fusion pour 24 mégawatts de chauffage (Q \approx 0{,}67). Lors de sa dernière campagne, fin 2023, il a libéré 69 mégajoules en une seule décharge, avant d'être arrêté et démantelé.
- WEST, au CEA de Cadarache, est un tokamak reconfiguré pour tester les parois en tungstène prévues pour ITER ; il a produit son premier plasma en décembre 2016.
- JT-60SA, au Japon, a obtenu son premier plasma en octobre 2023 et est devenu le plus grand tokamak en service.
- Une autre voie, la fusion inertielle, comprime une minuscule bille de combustible avec des lasers. Fin 2022, la National Ignition Facility, en Californie, a obtenu pour la première fois plus d'énergie de fusion que l'énergie laser reçue par la cible, soit un gain d'environ 1,5. Ce gain ne compte pas l'électricité, bien plus importante, consommée par les lasers.
Et sur Terre, et au-delà ?
Une centrale à fusion offrirait une électricité pilotable, sans gaz à effet de serre en fonctionnement, à partir d'un combustible abondant. Les retombées sont déjà là : aimants supraconducteurs, cryogénie, matériaux résistants aux neutrons, robotique de maintenance. Pour un vaisseau lointain, la fusion reste l'une des rares sources assez denses en énergie. Anthropolaris s'y intéresse par deux portes : les stellarators, cousins du tokamak capables de fonctionner en continu (voir la marche D-NRG-13), et la fusion inertielle à haute cadence (voir la marche D-NRG-02).
La décennie qui vient dira si les machines plus compactes, qui misent sur des aimants supraconducteurs à haute température, peuvent prendre de vitesse le géant de Provence, ou si elles profiteront surtout de ce qu'il aura appris.