L’énergie de fusion nucléaire sans carbone est-elle imminente ?

Environ 800 000 ans après que les humains ont utilisé et contrôlé le feu pour la première fois, les scientifiques du National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory à Berkeley, en Californie, ont allumé un nouveau type de feu pour la première fois. Le 5 décembre, une réaction de fusion nucléaire produit avec succès plus de puissance qu’il n’en a fallu pour démarrer. Ensuite, il s’est éteint. Une source potentiellement illimitée d’énergie sans carbone est apparue à l’horizon, mais la route vers l’énergie de fusion sur le réseau électrique prendra du temps.

Le processus de fusion, contrairement aux réacteurs à fission actuellement utilisés dans l’industrie de l’énergie, ne produit aucun déchet radioactif, ce qui en fait potentiellement la source d’énergie la plus propre de l’histoire. Les réacteurs à fusion ne présentent également aucun risque de fusion qui, bien que rare, est une préoccupation majeure avec les réacteurs à fission. Philosophical Transactions of the Royal Society, basé à Oxford, au Royaume-Uni, estime que l’énergie de fusion pourrait coûter la moitié ce que fait l’électricité produite par les installations éoliennes terrestres. Dans nos conversations avec des dirigeants de startups de fusion, ils décrivent de vastes générateurs nécessitant des milliards d’investissements en capital ainsi que des installations à faible encombrement qui tiendraient dans un pâté de maisons et ne coûteraient qu’un demi-milliard de dollars à construire. Les deux approches pourraient augmenter le réseau distribué émergent.

La science a travaillé pendant près de 70 ans pour réaliser l’allumage par fusion. En revanche, il a fallu environ 400 000 utilisations du feu avant et au début de l’humanité pour devenir monnaie courante dans les archives archéologiques. Pour utiliser le feu comme outil, les humains ont d’abord dû attendre qu’un incendie se produise naturellement et maîtriser le transport des braises, puis apprendre à faire leurs propres feux en utilisant du silex et du fer ou de la pyrite, ainsi qu’à éviter de s’étouffer dans des grottes fermées et à empêcher le feu de se propager. au-delà du foyer. Nous les considérons comme de simples leçons, mais elles ont mis des centaines de milliers d’années à se propager à travers notre espèce.

En ces temps accélérés et connectés, les lents progrès de la fusion depuis les années 1950 représentent d’immenses progrès ; nous sommes peut-être à plus de la moitié de la réalisation du rêve. Les chercheurs universitaires pensent que la fusion sera commercialement viable dans la seconde moitié du siècle, au plus tôt.

Que s’est-il passé le 5 décembre ?

Comme les premiers humains travaillant avec du silex dans le froid et le vent pour enflammer l’amadou, les scientifiques de la fusion ont tenté de déclencher une réaction qui dure plus de quelques millisecondes. En bref, ils veulent tirer plus d’énergie de la réaction enflammée qu’ils n’en ont mis avant que le feu ne s’éteigne. Les réactions de fusion sont déclenchées par des lasers pointés sur une petite pastille de combustible dans le réacteur, qui produit de l’énergie en forçant les éléments à se combiner en un autre élément. Dans le cas du NIF, deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, sont fusionnés, libérant un atome d’hélium, un neutron libre et beaucoup d’énergie excédentaire, qui pourrait être utilisée pour chauffer l’eau afin de produire de l’électricité.

« Je ne veux pas vous donner l’impression que nous allons brancher le NIF sur le réseau : ce n’est certainement pas ainsi que cela fonctionne », a déclaré le directeur du laboratoire national Lawrence Livermore, Kim Budil, lors d’une conférence de presse le 13 décembre.  » L’allumage est une première étape – une étape vraiment monumentale qui ouvre la voie à une décennie de transformation dans la science à haute densité d’énergie et la recherche sur la fusion – et j’ai hâte de voir où cela nous mènera.

L’expérience de décembre de l’équipe NIF a utilisé 2,05 mégajoules (MJ) d’énergie pour générer 3,15 MJ en sortie, soit environ 54% d’énergie en plus que les 2,05 MJ qui ont généré la réaction. Le problème ici est que la mise sous tension des bancs de lasers et la perte d’énergie lors de son transfert aux lasers requis nécessitaient 322 MJ d’énergie, soit 1oo fois l’énergie de fusion générée. Néanmoins, lorsqu’il est mesuré sur une direct entrée-sortie, le 5 décembre représente une percée significative, et les expériences futures se concentreront sur la réduction de l’énergie nécessaire pour alimenter les lasers.

La fusion produit un plasma, une soupe de particules chargées aussi chaude que le noyau du soleil. Ensuite, la science doit maîtriser le maintien du feu allumé et contenir et utiliser la chaleur générée par la réaction de fusion.

Que se passe-t-il ensuite ?

La mission du NIF est de simuler l’énergie créée par une explosion nucléaire, pas de développer des réacteurs à fusion générateurs d’électricité. Le ministère de l’Énergie a annoncé en mars dernier un plan sur 10 ans pour développer l’énergie de fusion commerciale. La secrétaire à l’Énergie, Jennifer Granholm, a déclaré que l’agence accélérer l’innovation en matière de fusion en combinant la recherche gouvernementale dans le cadre d’un programme parapluie, bien que le NIF puisse rester concentré sur les projets d’armement. Avec plus de 30 entreprises privées poursuivant la production d’énergie de fusion, l’action principale peut avoir lieu en dehors des laboratoires gouvernementaux et universitaires.

La production d’électricité par fusion, qui implique de gérer des températures allant jusqu’à 150 millions de degrés, doit résoudre une variété de problèmes pour devenir commercialement viable.

Entretenir la réaction

Les premiers réacteurs à fusion peuvent avoir besoin d’être rallumés fréquemment. Trouver des moyens efficaces d’injecter rapidement dans le réacteur de minuscules pastilles supplémentaires de deutérium et de tritium, le carburant de la réaction de fusion, sera essentiel pour maximiser la production d’électricité et minimiser les temps d’arrêt. Finalement, la fusion auto-entretenue, lorsque la chaleur maintient la réaction, maintiendra le fonctionnement du réacteur pendant de longues périodes. Les réactions prolongées sont essentielles pour générer suffisamment d’électricité pour maintenir les niveaux de puissance de charge de base nécessaires pour soutenir les maisons et les entreprises sur le réseau toute la journée.

Résoudre le confinement du plasma

Les plasmas de fusion sont contrôlés et maintenus en place à l’aide de champs magnétiques. Lorsque le champ de confinement tombe en panne ou est percé, la réaction s’arrête instantanément, de sorte qu’une gestion efficace du plasma et du système de confinement est essentielle pour générer efficacement de l’énergie. Plusieurs configurations de réacteurs et différents combustibles sont en cours de développement, et plus d’une combinaison peut réussir. L’approche la plus populaire est un réacteur annulaire en forme de beignet comme celui du NIF, connu sous le nom de tokomak. Les systèmes linéaires qui conduisent l’énergie dans une chambre centrale où le plasma est contenu à chaque extrémité représentent une deuxième stratégie, celle dirigée par TAE Energy, qui a levé plus de 800 millions de dollars de financement à ce jour.

Obtenir l’énergie de la réaction et dans un générateur électrique

Une fois que la réaction est persistante et que le plasma est gérable, le problème de l’acheminement de la chaleur du réacteur vers un système de génération sera essentiel pour générer le plus d’électricité possible. Le chauffage de l’eau en la mettant en contact avec le plasma à travers des tuyaux et l’utilisation d’un matériau en fusion – tel que du sel pour transférer la chaleur de la chambre de réaction à un générateur – sont deux options ; d’autres peuvent émerger.

Mais ici, nous rencontrons le problème de la contamination radioactive de l’environnement immédiat du réacteur.

Prévention des dommages causés par les neutrons

Rappelez-vous qu’en plus de l’énergie générée, un neutron libre est produit. Les neutrons, qui accélèrent l’ionisationfabrication les métaux deviennent cassants, ce qui augmente la probabilité de défaillance et les coûts de maintenance potentiellement élevés. Certaines parties du réacteur peuvent devoir être remplacées fréquemment pour éviter les pannes car les composants sont devenus cassants.

Bien que la réaction de fusion elle-même ne produise pas de déchets radioactifs, les technologies de fusion actuelles, qui permettent à certains des neutrons produits lors de la réaction de s’échapper, peuvent rendre radioactifs la structure de l’équipement et du bâtiment du réacteur. Ce problème doit être surmonté avant que la technologie ne devienne omniprésente.

Fabriquer le « carburant »

Le tritium, l’isotope de l’hydrogène utilisé dans la réaction NIF, ne se produit pas naturellement en grandes concentrations. Ce doit être élevés dans un réacteur à fusion, où les neutrons peuvent convertir le lithium en hélium et en tritium. Et ça coûte cher. D’autres combustibles de réaction de fusion, comme le bore, utilisé par TAE Energy, sont disponibles en grandes quantités dans la nature. Dans tous les cas, de nouveaux processus et de nouvelles méthodes de fabrication respectueuses de l’environnement doivent être mis au point pour soutenir la production d’électricité à long terme.

Quand arrivera Fusion ?

Malgré les affirmations optimistes des startups de la fusion selon lesquelles elles fourniront de l’énergie commerciale d’ici 2035, la fusion prendra probablement plus de temps pour atteindre cet objectif. En fait, le plus grand projet de réacteur à fusion visant à produire de l’électricité au monde, les 22 milliards de dollars Projet ITER en cours de construction à St-Paul-lès-Durance, France, est ne devrait pas atteindre l’allumage avant 2035. Cependant, le rythme des investissements – par le gouvernement et les parties privées – s’accélère. L’administration Biden a fait de la fusion une technologie d’ancrage dans son plan de décarbonation et vante l’idée que la fusion pourrait jouer un rôle significatif dans la production d’électricité sans carbone aux États-Unis et dans le monde à la fin des années 2030.

Il est prudent de dire, en raison de l’état de la recherche et du temps nécessaire à la construction de centrales de production, que la fusion ne fera pas partie de l’infrastructure énergétique avant les années 2040 au plus tôt. Cependant, l’histoire montre que l’inattendu se produit souvent, et les scientifiques peuvent résoudre le problème plus tôt. En attendant, les foyers et les entreprises doivent continuer à utiliser l’électricité plus efficacement afin que l’offre disponible puisse répondre à la nouvelle demande d’électricité, qui devrait doubler d’ici 2050.