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ITER : Un avenir énergétique sûr, périn et propre ?

Avant de lire les détails de ITER, il va de soit qu’il faut en premier lieu lire l’article énergie nucléaire. Pour ceux qui ne connaissent pas encore le projet ITER, voici une description succincte en premier lieu.



 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) est comme son nom l’indique un projet international ayant pour objectif de construire un réacteur à fusion thermonucléaire. Ce projet regroupe l’Union Européenne, le Japon, la Chine, la Corée du Sud, la Russie, les Etats-Unis et l’Inde. La Suisse et le Brésil ont également demandé une candidature. ITER doit créer un réacteur expérimental, c’est-à-dire que c’est une expérience à vocation de Recherche et non une application industrielle. Néanmoins, le but de cette expérience est d’étudier la faisabilité technique et industrielle d’une supposée future centrale à fusion thermonucléaire qui viendrait détrôner toutes les actuelles centrales nucléaires (utilisant la fission). Ce nouveau procédé permettrait de limiter les déchets radioactifs (ici pas de Plutonium, Uranium ou truc dans le genre) et de produire une quantité beaucoup plus importante d’énergie. Pour ce projet, le site de Cadarache en France à côté de Aix en Provence vient d’être sélectionné cette année. Le coût de construction de ce réacteur est estimé à 5 milliards d’euros sur 10 ans si tout se passe bien.

 La presse de vulgarisation scientifique a beaucoup utilisé l’expression : « ITER : Le soleil sur Terre ». Pourquoi ? Tout simplement parce que ce futur réacteur va exploiter le principe de la fusion nucléaire et non la fission nucléaire qui est à l’origine de nos centrales nucléaires actuelles. Toutes les étoiles, et donc notre Soleil, sont en fait d’énormes réacteurs nucléaires à fusion transformant l’Hydrogène en Hélium. ITER produira une fusion entre du Tritium et du Deutérium pour former de l’Hélium (voir article l’énergie nucléaire).


ITER est un tokamak comme ses prédécesseurs (une sorte de gros donut) mais il est beaucoup plus grand avec un rayon externe de 6,2m, soit deux fois plus grand que le plus grand tokamak existant. En fusion, l’équation est assez simple, plus le diamètre du tokamak est important, plus l’énergie dégagée est importante. C’est un réacteur qui devrait dégager une puissance de 500MW pendant 400s pour une puissance apportée en chauffage de 50MW (on a alors une amplification d’un facteur 10). Ce projet utilisera toutes les dernières avancées technologiques en supraconductivité. En effet, ITER utilise la fusion par confinement magnétique, il faut donc créer des champs magnétiques très importants (5,3 Tesla au centre du plasma) et par souci d’efficacité, ITER utilisera des aimants constitués de bobines supraconductrices maintenues à quelques kelvins grâce à un système cryogénique (voir article supraconductivité). Ce projet a de nombreux points communs avec le futur accélérateur de particules du CERN, le LHC, car tous les deux utilisent les mêmes technologies. Je suis d’ailleurs allé l’année dernière quand je travaillais au CERN à un lot de conférences fait par ITER concernant la supraconductivité.

 Les Avantages

Les 2 avantages principaux sont la pollution et la quantité d’énergie. Le seul élément radioactif qui entre en jeu est le Tritium (il est néanmoins très faiblement radioactif avec une demi période de 12,3 ans) qui sera directement produit dans le réacteur à partir de Lithium. Les 2 matières premières sont donc le Lithium et le Deutérium qui sont des composants non dangereux que l’on trouve dans la nature. De plus, les réserves sont suffisantes pour plusieurs millions d’années. Le produit de la réaction, l’Hélium, est un gaz rare complètement inoffensif également.

 Les Difficultés

 Le problème majeur de la fusion est que pour rapprocher suffisamment des noyaux (pour entraîner une fusion) il faut atteindre des températures incroyables. Pour cela 2 méthodes de chauffage peuvent être utilisées :

  • Le chauffage par injection de particules neutres de hautes énergies.
  • Chauffage  par ondes électromagnétique

 Ensuite, les noyaux d’Hélium créés sont très énergétiques et participent à plus de 60% du chauffage une fois la fusion entamée. Aucun matériau ne peut supporter de telles températures, c’est pour cette raison que l’on utilise d’importants champs magnétiques pour faire de la fusion par confinement magnétique. Le chauffage et la création des champs magnétiques consomment bien sûr de l’électricité. Le coût du kilowattheure pour la « Fusion » se situe entre 1,5 à 2 fois de prix du kilowattheure nucléaire classique « fission ». L’électricité serait donc plus cher mais il n’y aurait pas le problème de stockage des déchets hautement radioactifs.

 L’autre problème, celui-ci très préoccupant, et qui à mon avis, peut être un obstacle pour un futur réacteur à finalité industrielle est le bombardement neutronique. On parle assez peu de cet aspect mais c’est un point capital qui pourrait tout faire échouer. On a vu que lors des réactions de fusion, des neutrons sont éjectés à très grande vitesse (il possèdent une importante énergie). Le champs magnétique créé dans le tokamak ne peut évidemment pas bloquer ces neutrons car ils sont électriquement neutres (un champs magnétique capture uniquement les particules chargées) donc ces neutrons énergétiques vont venir bombarder les matériaux alentours. Ce bombardement est réellement violent et au bout d’un certain temps, les matériaux de l’enceinte du réacteur vont être saturés en neutrons et ne pourront plus les stopper entraînant un changement obligatoire et ce n’est pas viable économiquement et changer les matériaux d’enceinte tous les quatre matins. Des recherches sont actuellement faites sur le développement de matériaux absorbant efficacement les neutrons.

 En Bref

ITER doit valider la faisabilité d’un nouveau type de réacteur générant de l’électricité. L’avantage est que ce type de réacteur permettrait de remplacer intégralement toutes les centrales en place en ayant pour matières premières des éléments qu’on trouve abondamment dans la nature pour un bilan écologique très bon. Pas de gaz à effet de serre, juste de la vapeur d’eau comme les centrales nucléaires actuelles, mais ici on a uniquement des déchets très peu radioactifs et très faciles à gérer contrairement à l’Uranium ou Plutonium qui sont des contraintes écologiques gigantesques avec l’énergie nucléaire actuelles.

L’Energie nucléaire

Quand on pense à énergie nucléaire on pense souvent à des grosses tours en béton avec des gros nuages de fumée blanche. On pense aussi à l’Uranium, au Plutonium et à la radioactivité, mais quand est-il réellement ?


Je n’aborderai pas le fonctionnement d’une centrale mais simplement les phénomènes de Fission et Fusion nucléaire qui sont au cœur du problème. J’introduis ces notions car le prochain article portera sur le futur réacteur expérimental à fusion thermonucléaire de Cadarache : ITER.

 Ces 2 phénomènes nucléaires peuvent être résumés simplement de la manière suivante : L’énergie nucléaire se libère de deux façons : ou le noyau d’un atome fusionne avec un autre noyau (fusion) ou il se casse en deux (fission). En général soit on vient fusionner 2 atomes légers (ex : Hydrogène) pour en former un plus lourd (ex : Hélium) soit on vient casser un atome très lourd (ex : Plutonium, Uranium…). On parle d’énergie nucléaire car on utilise une réaction du noyau qui est composé de nucléons (protons et neutrons).

 La Fission

C’est la réaction qui est utilisée dans nos centrales nucléaires et dans les bombes Atomiques. Ce phénomène a été découvert en 1938 par des physiciens allemands suite à des expériences effectuées en bombardant des noyaux d’Uranium avec des neutrons. Attention, tous les atomes ne sont pas
« fissibles » (c’est à dire cassable), ce phénomène est possible avec des atomes ayant un numéro atomique supérieur à 89 (le numéro atomique correspond au nombre de protons dans le noyau d’un atome). Les atomes les plus utilisés sont l’Uranium 235 (c est à dire avec 235 nucléons dans le noyau) et le Plutonium 239 que l’on vient bombarder avec des neutrons. Cette « cassure » de l’atome en 2 autres atomes plus petits vient libérer une énergie formidable sous forme d’énergie cinétique car les 2 atomes ainsi créés se propage à environ 8000 km/s et viennent alors réchauffer la matière ambiante (l’énergie cinétique est proportionnelle à la masse et au carré de la vitesse de l’objet considéré ). Une centrale nucléaire va venir exploiter cette chaleur pour générer de la vapeur d’eau (qu’on voit sortir par la cheminé) et la transformer en électricité.

L’originalité de la fission est la réaction en chaîne. Chaque fission vient dégager 2 ou 3 neutrons libres à très grande vitesse (20 000 km/s) qui peuvent alors provoquer à nouveau une nouvelle fission. On a une réaction en chaîne puisqu’en induisant une seule fission dans la masse d’uranium, on peut obtenir si on ne contrôle pas les neutrons au moins 2 fissions, qui vont en provoquer 4, puis 8, puis 16, puis 32…

Dans les réacteurs, la réaction en chaîne est stabilisée à un niveau donné, c’est-à-dire qu’une grande partie des neutrons est capturée afin qu’ils ne provoquent pas d’autres fissions. Il suffit seulement qu’un neutron, à chaque fission, provoque une nouvelle fission pour libérer régulièrement de l’énergie. Au contraire, pour la bombe, la réaction en chaîne doit être la plus divergente possible dans le temps le plus court : on favorise sa croissance exponentielle et l’on confine l’énergie le plus longtemps possible pour faire BOUM.

La Fusion thermonucléaire

Deuxième phénomène nucléaire, que l’homme maîtrise encore mal mais qui est omniprésent dans l’univers. Effectivement une étoile n’est ni plus ni moins qu’un gros réacteur à fusion nucléaire. Les étoiles (comme notre Soleil) viennent dans leur cœur faire fusionner des atomes d’Hydrogène entre eux pour former un élément plus lourd : l’Hélium. Lorsque notre cher soleil n’aura plus de carburant (d’Hydrogène) alors il s’éteindra… Cette fusion nucléaire se produit spontanément si la température est suffisante pour que les 2 noyaux soient suffisamment proche car ils ont tendance a se repousser par force électrostatique.

Cette réaction fournie une énergie beaucoup plus importante que la fission. C’est cette fusion thermonucléaire qui est utilisé dans les bombes H de manière non contrôlée et qui sera utilisée dans le futur réacteur ITER. Le gros problème c’est que pour provoquer la fusion de 2 noyaux, il faut atteindre des températures titanesques (plusieurs centaines de millions de degrés). Pour faire cette fusion sur Terre, le plus simple est d’utiliser 2 isotopes de l’Hydrogène (deux isotopes sont des atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons) qui sont le deutérium et le tritium. Le deutérium (un proton et un neutron), qui compose l’« eau lourde »,  peut être extrait à partir d’eau de mer assez facilement. On trouve en moyenne 33g de deutérium dans 1m3 d’eau de mer. Le tritium (1 protons et 2 neutrons) est un élément radioactif mais tout de même 87 500 000 fois moins que l’Uranium utilisé dans la fission. Le tritium a une période de radioactivité de 12 ans, l’Uranium 235 a une période de 700  000 000 ans (la période de radioactivité est le temps nécessaire pour que la moitié des atomes d’un isotope radioactif se désintègre naturellement).

Ici, pas de réaction en chaîne, il faut en permanence alimenter cette fusion, on ne peut donc pas avoir de phénomène d’ « emballement » comme avec la fission. Pour le moment, sur Terre, les expériences de fusion sont extrêmement rares, difficiles et coûtent chères. Ces essais ont été réalisés dans des Tokamaks (une sorte de gros Donut, voir photo) pourvu d’un énorme champs électromagnétique permettant de faire flotter le plasma au centre du donut, on parle alors de fusion par confinement magnétique. On citera juste les expériences JET chez les européens, JT-6OU pour les japonais, Tore Supra en France et T-15 en Russie. Les résultats sont encore peu convaincants mais les scientifiques du monde entier mettent leurs billes sur le projet international ITER.

Richard Feynman

Je ne sais pas si ce nom vous évoque quelque chose mais si vous aimez la Science et la vulgarisation, alors vous allez l’aimer !

C’est un américain, né en 1918 à NY et mort en 1988 à L.A. Physicien et scientifique dans l’âme, il étudie au MIT (Massachussets Institute of Technology of Boston), une des plus prestigieuses universités américaines et effectue son doctorat à Princeton. Il va ensuite travailler sur le projet Manhattan à Los Alamos (le projet pour développer la bombe Atomique américaine) puis enseigner à Caltech (California Institute of Technology) après la seconde guerre mondiale. Feynman est avant tout un grand vulgarisateur et un excellent pédagogue, il a été célèbre suite à une série de conférences qu’il a donnée dans les années soixante. Elles sont d’ailleurs toutes traduites en français et disponibles dans n’importe quelle Fnac. Je vous conseille en priorité ces deux livres :

  • Richard P. Feynman ; La nature de la physique, collection Points Sciences, Le Seuil (1980)
  • Richard P. Feynman ; Lumière et matière – Une étrange histoire, InterEditions (1987)

Feynman est à l’origine d’un élargissement de la mécanique quantique effectué lors de ses recherches à Caltech : l’électrodynamique quantique relativiste qui permet d’inclure dans la mécanique quantique les interactions électromagnétiques entre particules. Il obtient pour ce travail le prix Nobel de physique en 1965 avec Sin-Itiro Tomonaga et Julian Schwinger. Il a également travaillé sur l’Helium superfluide (voir article Les supers états : Supraconductivité et Superfluidité) et l’interaction faible.

 
Un des grands jeux de Feynman à Caltech lorsqu’il était professeur était de trouver les combinaisons des coffres forts. Soit en essayant des constantes physiques comme code ou bien en écoutant les mécanismes. Il a été vivement critiqué à ce sujet, d’autant qu’il en profitait pour l’enseigner à ses étudiants… Bref, j’aurais bien aimé assister à ses cours. Un autre de ses passe-temps était le déchiffrage de hiéroglyphes mayas, bref, il ne s’enfermait pas dans mon monde quantique et gardait la tête libre.



Il s’est également rendu célèbre pour son rapport sur Challenger. Le 28 Janvier 1986, la navette spatiale Challenger explose en direct et on demande à Feynman de faire partie du comité d’expertise externe (hors NASA) pour déceler les causes de l’accident. Il découvre de nombreux problèmes et les dénonce publiquement en disant : « Pour que réussisse une technologie, la réalité doit prendre le pas sur les relations publiques : on ne joue pas avec la nature ». Il a toujours défendu la vérité et le refus de collaborer avec les politiques pour des raisons d’opinion publique.

Sa vision des sciences est très intéressante et il a toujours essayé de faire passer sa passion aux physiciens comme aux non-scientifiques. Il ne se limitait pas à énoncer des résultats et des définitions. Son objectif était de faire réfléchir les gens par eux-mêmes pour les amener vers un étonnement et vers une découverte dans le but d’avoir une meilleure compréhension de la nature. Son point fort était qu’il réfléchissait comme un enfant de 5 ans qui questionne « pourquoi… » à chaque réponse de son interlocuteur.

Ses derniers mots : « I would hate to die twice. It is so boring » (Je détesterais mourir deux fois. C’est si ennuyeux).