La fusion froide : Qu'est ce que c'est ?

Puisqu’il s’agit d’une source d’énergie renouvelable, la fusion froide est potentiellement une énergie propre disponible en quantité illimitée. Mais qu'est-ce que l’énergie de fusion au juste, comment ça marche et est-ce que la fusion froide ça existe ?
Vous avez peut-être entendu parler de la fusion froide, de l’idée que des atomes peuvent fusionner sans véritable recours à la chaleur ni à d’autres types d’énergie, cette fusion libérant néanmoins une grande quantité d’énergie.
La fusion à chaud, en revanche, est bien réelle. C’est le phénomène qui se produit à l’intérieur du soleil et d’autres étoiles. Des noyaux d’atomes entrent en collision à grande vitesse, entraînant une fusion libératrice d’une grande quantité d’énergie supplémentaire. La recherche-développement dans le domaine de l’énergie de fusion s’efforce de reproduire des réactions similaires sur Terre à plus de 100 millions de degrés Celsius.

À l’opposé de la fission nucléaire
L’énergie de fusion, d’une certaine manière, est à l’opposé de ce que nous avons l’habitude d’appeler « énergie nucléaire », bien que dans les deux types d’énergie il soit question de noyaux d’atomes. Dans les centrales nucléaires actuelles, l’énergie provient de la fission de l’atome. La fusion, comme son nom l’indique, produit de l’énergie non pas en divisant les atomes, mais en les fusionnant.

La véritable différence résulte du type d’éléments qui participent à ces processus. Ce que nous connaissons sous le terme d’énergie nucléaire nécessite l’emploi d’éléments tels que l’uranium ou le plutonium, qui possèdent de gros atomes lourds pouvant se diviser en atomes plus petits. Toutefois, l’uranium, le plutonium et leurs produits de fission sont radioactifs, ce qui signifie qu’en se désintégrant ils émettent des rayonnements ionisants qui, dans certaines circonstances, peuvent se révéler dangereux pour l’homme.
De son côté, l’énergie de fusion résulte de la combinaison de deux atomes légers, généralement d’hydrogène. La fusion de deux atomes d’hydrogène donne naissance à de l’hélium. Ainsi, non seulement l’énergie de fusion repose sur l’élément le plus abondant de l’univers, mais son sous-produit peut être facilement utilisé à des fins médicales voire servir à gonfler des ballons.

Essayez de rapprocher deux aimants
Comment fusionne-t-on deux atomes ? Vos cours de physique vous ont sûrement appris que la difficulté tient au fait qu’un noyau d’atome contient des protons, dont la charge électrique est positive, et des neutrons, qui sont neutres. Ainsi, un noyau atomique sera toujours porteur d’une charge électrique positive. Essayez de l’associer à un autre atome, également porteur d’une charge positive, et vous observerez le phénomène qui se produit lorsque vous tentez de rapprocher deux aimants. Ils se repoussent. C’est la raison pour laquelle l’énergie de fusion utilise des atomes aussi légers que possible. Mais la tâche reste quand même ardue.

À l’intérieur du soleil, la fusion se produit parce qu’une gravité colossale attire les atomes les uns vers les autres, la densité extrême et la chaleur intense provoquant la collision très rapide entre atomes. La force de gravité est bien plus faible sur Terre, en raison de la taille relativement réduite de celle-ci et de sa température qui, en dépit du réchauffement de la planète, n’a rien à voir avec celle du soleil. Alors, comment créer les conditions propices à la fusion ?

Plus chaud que le soleil
La réponse est assez évidente. Pour compenser l’infériorité de la gravité terrestre, il suffira de créer une température de six à dix fois supérieure à celle du soleil, pouvant atteindre 150 millions de degrés Celsius. Sur Terre, cette chaleur colossale créera les conditions permettant aux atomes d’hydrogène d’entrer en collision les uns avec les autres, aboutissant ainsi à une fusion qui libérera encore plus d’énergie. Facile me direz-vous ? Il nous reste encore à régler quelques menus détails.
Première difficulté : où pourrions-nous créer une telle température, en évitant que la substance chauffée ne détruise tout ce avec quoi elle entrerait en contact ? À nouveau, la réponse est simple : aucun contact ne doit se produire. Pour y parvenir, au milieu du XXe siècle, des scientifiques russes ont mis au point le « tokamak », une chambre à vide en forme de bouée entourée de puissants aimants.
C’est à l’intérieur de ce dispositif que l’hydrogène gazeux, après avoir été chauffé à une température extrêmement élevée, passe à l’état plasma. Un des quatre états fondamentaux de la matière, l’état plasma résulte de l’ionisation de la substance gazeuse, lors de laquelle les électrons en orbite autour des noyaux atomiques sont éjectés. La matière ionisée est conductrice d’électricité ; il sera donc possible de contrôler son comportement avec des champs magnétiques. C’est ici qu’entrent en jeu les aimants, à même de maintenir cette substance conductrice d’électricité en suspension et donc à l’écart des parois du tokamak. À l’intérieur du plasma, les conditions sont propices à la collision entre atomes et donc à la fusion libératrice d’énergie.
C’est afin de prouver la faisabilité de la fusion thermonucléaire en tant que source d’énergie à grande échelle et sans émissions de carbone que l’ITER, le plus grand réacteur expérimental à fusion nucléaire à tokamak au monde, est actuellement en construction en France. L’ITER est un mégaprojet international de recherche et d’ingénierie auquel participent l’Union européenne, la Chine, l’Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie et les États-Unis. En cas de réussite, l’installation sera en mesure de générer 500 MW d’énergie de fusion à partir de 50 MW d’énergie injectée dans le système pour le chauffage initial du plasma.

Une bouée géante
Le réacteur de l’ITER sera gigantesque :son tokamak sera trois fois plus lourd que la tour Eiffel ;

la structure de l’électro-aimant de 1 000 tonnes au centre de la machine devra être suffisamment solide pour résister à des forces équivalant à deux fois la poussée des moteurs de la navette spatiale au moment du décollage (soit 60 méganewtons, ou plus de 6 000 tonnes) ;
18 électro-aimants en forme de « D » seront positionnés autour de la chambre toroïdale du tokamak, chacun d’eux mesurant 17 mètres de haut et 9 mètres de large et pesant 310 tonnes, soit le poids approximatif d’un Boeing 747-300 à pleine charge.
Mais comment extraire l'énorme quantité d’énergie de la bouée et l’acheminer en toute sécurité sous la forme d’électricité jusqu'à nos foyers ? C’est le rôle des parois de la chambre et du « diverteur », positionné à la base du tokamak. Le diverteur contrôle l’évacuation de la chaleur, des effluents gazeux et des impuretés provenant du réacteur et résiste aux charges thermiques de surface les plus élevées. Sa surface est recouverte de tungstène, qui possède le point de fusion le plus élevé de tous les métaux (3 422 °C).
En 2019, avec le soutien du Fonds européen pour les investissements stratégiques, la Banque européenne d’investissement a signé un prêt de 250 millions d’euros avec l’agence italienne de recherche ENEA afin de l’aider à construire le centre d’essais pour le diverteur et le tokamak. Ces installations testeront différentes solutions possibles pour évacuer l’énorme quantité de chaleur entrant dans le diverteur d’un réacteur de fusion nucléaire.

Une turbine à vapeur magnifiée

Les chercheurs poursuivent leur recherche de solutions de remplacement, mais, dans l’état actuel des choses, l’ensemble du processus de transformation de la chaleur en électricité reste assez traditionnel. La chaleur reçue par les parois faisant face au plasma et par le diverteur servira à transformer l’eau en vapeur, laquelle entraînera une turbine à vapeur. La turbine est raccordée à un générateur qui produit l’électricité destinée à alimenter un réseau.
« Les progrès scientifiques en matière d’énergie de fusion ne tomberont sans doute pas du ciel comme la pomme sur la tête de Newton », affirme Istvan Szabo, ingénieur principal auprès de la division Sécurité énergétique à la Banque européenne d’investissement. « Une multiplication des ressources sera nécessaire. »
Il reconnaît que demain une solution radicalement différente permettant d’exploiter l’énergie de fusion sera peut-être trouvée, ou qu’une réponse inédite à nos besoins en énergie durable nous fera entrer dans une ère nouvelle. « D’autres pistes existent pour comprimer la matière et fusionner les atomes : les lasers ou la compression mécanique, par exemple. Et quelqu’un trouvera peut-être un jour la clé de la fusion à froid, poursuit Istvan Szabo. Mais des ressources considérables seront nécessaires pour tester l’une ou l’autre de ces idées. La phase de recherche et de développement la plus avancée concerne la fusion thermonucléaire. C’est celle qui offre le plus de perspectives. »

Quand l’investissement alimente l’énergie
Si notre quête nous conduit toujours plus près de l’énergie de fusion, l’énergie d’origine thermonucléaire n’est que l’un des multiples projets innovants financés par la BEI dans le domaine de l’énergie.
La BEI a investi plus de 30 millions d’euros dans des titres de premier et second rang du fonds responsAbility Access to Clean Power Fund. Celui-ci devrait financer des entreprises qui proposent des lanternes solaires avec paiement en fonction de la consommation et d’autres systèmes solaires hors réseau pour particuliers et entreprises, principalement en Afrique subsaharienne et en Asie du Sud-Est. Ces systèmes permettent notamment à des familles à faibles revenus de faire fonctionner des petits réfrigérateurs et d’autres appareils. Alors que les ménages peuvent payer le dispositif d’énergie solaire en plusieurs petits versements, le fonds finance l’investissement initial du fournisseur qui fait l’acquisition des systèmes.
En raison du risque élevé caractérisant ces investissements, les titres du fonds sont répartis en plusieurs tranches. L’investissement de la BEI porte sur la tranche de rang inférieur, qui est aussi la plus risquée. L’achat de titres de rang inférieur atténue le risque encouru par les autres investisseurs du fonds qui acquièrent des titres de premier rang. La participation de la BEI attire ainsi d’importants capitaux privés. Pendant la durée de vie du fonds, plus de 150 millions de personnes devraient bénéficier d’une énergie propre.
Par ailleurs, dans le cadre du programme InnovFin soutenu par la Commission européenne, la BEI a investi 50 millions d’euros dans un fonds de participation dédié aux innovations visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre de manière significative. Le fonds Breakthrough Energy Ventures Europe compte d’autres investisseurs, notamment Bill Gates et un certain nombre de particuliers extrêmement fortunés.