En France, record mondial pour la fusion nucléaire !

Dans la morosité ambiante et les troubles déconcertants du monde postmoderne, il est des bonnes nouvelles qui peuvent passer inaperçues. C'est pourtant une étape importante dans l'histoire des sciences et plus précisément celle de la fusion nucléaire qui a été annoncée le 18 février 2025. "On" a réussi à maintenir un plasma de 25 mètres cubes à la température de 50 millions de degrés Celsius pendant 1 337 secondes, soit plus de 22 minutes ! Cela s'est passé le 12 février 2025 dans le tokamak WEST du CEA de Cadarache, dans le sud de la France (CEA : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives).

C'est à la fois une grande victoire, ou plutôt une belle étape de l'humanité pour le monde entier, et, en ces temps d'auto-dénigrements systématiques pour raisons politiciennes, c'est aussi une victoire de la France car cela s'est passé en France. Le dire, cela ne fait pas de mal. Certes, rappelons que toute avancée scientifique n'est le résultat que d'une coopération internationale massive, et cela depuis plus d'un siècle, depuis les découvertes de la physique quantique au moins (en fait, depuis toujours, même à l'époque des Grecs anciens !), mais cela s'est passé quand même dans un réacteur nucléaire français et il n'est pas inutile, à ceux qui critiquent toujours leur pays, la France, de rappeler que ce pays, cette France, ma France si chérie, est à l'origine de l'une des avancées déterminantes de la science moderne.

En d'autres mots, le "on", employé par moi de manière volontairement très floue, signifie à la fois l'homme (l'Homme, l'être humain, l'homo, pas le vir) et les équipes de scientifiques français. Cette prouesse technologique, car c'est une prouesse technologique, confirme que la France est un acteur majeur de la recherche en fusion nucléaire, qui a pris le leadership dans ce domaine également très étudié par le Royaume-Uni, les États-Unis, l'Italie, le Japon, la Russie, l'Inde, la Corée du Sud et la Chine. Et je le répète, tous les exploits sont toujours le résultat d'une coopération internationale avec de nombreux pays. Du reste, malgré la situation géopolitique actuelle, la Russie a continué à collaborer au projet WEST en fournissant à Cadarache un aimant géant.

Mais je me rends compte que l'information est passée inaperçue peut-être parce qu'il n'y a pas eu les explications nécessaires sur la signification de ce record. La France est à l'honneur, car le réacteur français a battu le record de durée de plus de 25% précédemment détenu par la Chine il y a quelques mois avec son tokamak EAST.
 

Au risque de simplifier trop les choses (osons-le tout de même !), reprenons les enjeux majeurs de la fusion nucléaire.

La fusion nucléaire, c'est en quelque sorte le Graal de tout chercheur dans les énergies. On pourrait dire improprement que c'est de l'énergie solaire, mais sans plaque photovoltaïque. En fait, plus exactement, c'est l'énergie du Soleil. Et c'est aussi pourquoi le Soleil a une durée de vie limitée (je nous rassure, encore quelques milliards d'années), car lorsque sa réserve d'hydrogène sera épuisée, il se transformera comme toutes les étoiles, deviendra obèse au point de grossir jusqu'à ce que sa surface atteigne l'orbite de la Terre et même au-delà (autant nous dire que les politiques de lutte contre les bouleversements climatiques ne serviront plus à grand-chose à ce moment-là).

À la différence de la fission nucléaire, où l'on récupère l'énergie résultant de l'éclatement d'un noyau atomique (lourd), ce que font les centrales nucléaires actuelles, la fusion nucléaire permet de récupérer l'énergie résultant de la fusion, c'est-à-dire de l'assemblage de deux noyaux atomiques (légers). Donc, généralement, lorsqu'un non-scientifique, en particulier pour des raisons politiques, parle de nucléaire, il parle de fission nucléaire. Ce sont deux domaines très différents sur le plan technologique.
 

Le Soleil est une étoile composée d'hydrogène, ou plutôt, de deux types d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium. L'hydrogène est le premier atome de la classification, celui qui comporte un proton dans le noyau. Le deutérium a donc un noyau composé d'un proton, mais aussi de deux neutrons (combiné à l'oxygène, cela donne de l'eau lourde). Le tritium, un proton et trois neutrons. Le Soleil est un réacteur nucléaire qui fusionne les noyaux de deutérium et de tritium pour donner un isotope de l'atome d'hélium avec quatre neutrons (l'hélium 4) et un dernier neutron afin d'équilibrer la réaction (l'hélium est l'atome qui comporte deux protons). L'émission du neutron ainsi que la fusion pour donner l'hélium 4 apportent de l'énergie. C'est cette énergie qui nous permet de voir quand il fait jour (même quand il y a des nuages ; il est faux de dire qu'il n'y a alors pas de soleil).
 

On voit tout l'intérêt de cette réaction nucléaire par rapport au nucléaire dit classique, à savoir la fission nucléaire. D'une part, il n'est pas nécessaire d'apporter de l'uranium ni du plutonium, il suffit d'hydrogène, atome particulièrement présent sur Terre (plus exactement, de deux isotopes de l'hydrogène, dont le deutérium est très présent à l'état naturel, l'autre peut facilement s'obtenir avec du lithium). D'autre part, cela évite des déchets nucléaires comme on peut les avoir avec la fission nucléaire (l'hélium 4 n'est pas radioactif). Le danger existe toutefois avec le neutron qui s'échappe dans la réaction et qui peut se combiner avec des atomes environnants et créer des isotopes devenant radioactifs. Un autre intérêt, c'est que la réaction ne peut pas s'emballer comme pour la fission nucléaire ; il ne pourrait pas y avoir d'accident nucléaire avec cette technologie car s'il y a une anomalie dans le réacteur, les réactions s'arrêteraient automatiquement par manque de condition pour poursuivre la fusion.

Mais, car il y a un mais, pour amorcer la réaction, il faut un apport durable d'une haute énergie. En d'autres termes, il faut pouvoir garder pendant "longtemps" (à définir) un plasma "à haute température" (à définir) pour provoquer une fusion auto-entretenue. En exprimant cela, je passe à côté d'autres défis technologiques.

Pour amorcer la fusion nucléaire de deux noyaux, il faut les faire se rencontrer, donc, d'abord, les débarrasser de leurs électrons, puisqu'un atome est composé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons. C'est-à-dire virer les électrons par ionisation, devenus donc un plasma. Ensuite, il faut les confiner pour qu'ils se heurtent. Enfin, il faut que le choc soit suffisamment énergétique pour que les noyaux fusionnent, c'est-à-dire qu'il faut que la température soit très très élevée, de l'ordre de 150 millions de degrés Celsius. En effet, chaque noyau est chargé positivement d'un point de vue électrique (l'électron est négatif et le noyau est positif, l'atome est stable donc toujours neutre), et donc, en principe, deux charges positives se repoussent et ne fusionnent pas, d'où le besoin d'un confinement et d'une très haute température.

Ces trois conditions pour réussir la fusion nucléaire demandent de la recherche technologique de haut niveau. C'est la raison pour laquelle la France (notamment) s'est engagée dans le programme nucléaire civil en 1973 : la construction de notre parc actuel de centrale nucléaire (à fission nucléaire donc) prévue pour une durée initiale de cinquante années (nous y sommes) était un programme temporaire afin de développer, par ailleurs, la fusion nucléaire.

Au début des années 1970, les chercheurs estimaient qu'il fallait un demi-siècle pour que la fusion nucléaire soit opérationnelle dans la production d'électricité. Le petit problème urbain, c'est qu'aujourd'hui, on considère aussi qu'il faudrait encore cinquante années pour produire à l'échelle industrielle de l'énergie avec la fusion nucléaire. Cela ne veut pas dire qu'il ne s'est rien passé pendant cinquante ans, mais que la recherche est très longue, nécessite beaucoup d'argent et, sur ce sujet nucléaire, la politique parfois s'en est mêlée, sujet sensible à gauche avec un PS au pouvoir mettant à mal la politique nucléaire de la France pour un plat de lentilles écologistes. Néanmoins, le retard est mondial et ne peut pas être attribué aux circonstances politiques françaises.

En gros, si on arrive à produire industriellement de l'énergie par la fusion nucléaire dans la seconde moitié du XXI^e siècle, ce sera très heureux. L'objectif des politiques mondiales sur le climat est d'atteindre le zéro carbone en 2050, ce qui est, à mon sens, beaucoup trop ambitieux car sans développement industriel de la production par fusion nucléaire, cet objectif ne sera jamais atteint. Nous en sommes encore très loin.

Revenons aux mots qui peuvent être compliqués. J'ai évoqué le mot plasma. Qu'est-ce qu'un plasma lorsque le mot n'a rien à voir avec la biologie ni avec les écrans plats ? Il s'agit du quatrième état de la matière. On cite souvent les trois états que sont le solide (température la plus faible, agitation atomique la plus faible, degré de liberté le plus faible), le liquide et le gaz. En fait, il y a un autre état de la matière qui va au-delà du gaz et qui est le plus répandu dans l'Univers, c'est le plasma qui est du gaz ionisé à haute énergie, que sont toutes les étoiles "vivantes". L'homme est capable d'en créer artificiellement, ne serait-ce que par les éclairages au néon (gaz rare ionisé par différence de potentiel, mis dans une ampoule en basse pression ; en thermodynamique, baisser la pression a souvent le même effet qu'augmenter la température).

Depuis les années 1950, les perspectives de produire industriellement de l'énergie par la fusion nucléaire se heurtent donc, comme expliqué plus haut, par l'impossibilité technologique encore actuelle de maintenir une température de plusieurs dizaines de millions de degrés dans un espace confiné (oubliez la fusion froide, cela n'existe pas !). C'est la raison pour laquelle on cherche à confiner le plasma sans contact avec le réacteur pour éviter les échanges thermiques et un refroidissement trop rapide.

L'un des réacteurs intéressants est le tokamak. Là encore, je vais simplifier à l'extrême. C'est un réacteur qui permet de confiner un plasma au moyen d'un champ magnétique élevé. La plupart des tokamaks sont toriques, c'est-à-dire que le plasma prend la forme d'un tore (anneau lui-même à section circulaire). Andreï Sakharov a fait partie des contributeurs initiaux du développement du tokamak (le mot lui-même vient du russe signifiant "chambre toroïdale avec bobines magnétiques").
 

Le principe est le suivant : on injecte dans une chambre isolée et à basse pression du gaz réactif (deutérium et tritium). Ensuite, on le chauffe par micro-ondes (comme l'eau dans un four micro-ondes classique). Les atomes perdent alors leurs électrons qui forment un plasma à haute température. Le problème, c'est que ce plasma doit être confiné sans contact sinon il se refroidirait et aussi il détruirait les parois du réacteur (de la chambre). D'où le confinement magnétique et la présence de bobines magnétiques pour créer un champ magnétique.

Il faut un volume de plasma le plus grand possible. En effet, plus son volume est élevé, plus le ratio nombre d'atomes à la surface sur nombre d'atomes dans le volume est réduit, ce qui permet d'augmenter le temps de refroidissement (temps de confinement).

Ainsi, dans le tokamak WEST où a été faite l'expérience du 12 février 2025 au CEA de Cadarache, le volume du plasma est de 25 mètres cubes (grand rayon du plasma de 2,40 mètres ; petit rayon du plasma typique : 72 centimètres), et la chambre est composée de parois en tungstène (élément W, pour Wolfram en allemand ; WEST signifie : Tungsten Environment in Steady-state Tokamak). Le tungstène est un élément particulièrement résistant à haute température et sous fort rayonnement. Doté de bobines supraconductrices, le réacteur peut appliquer, au centre du plasma, un champ magnétique intense de 4,2 Tesla. Le chauffage du plasma par ondes HF avait, dans cette expérience, pour puissance injectée 2 MW, mais d'autres expériences vont se faire en augmentant la puissance de chauffage jusqu'à 20 MW (dix fois plus).
 

Attention aussi aux erreurs d'interprétation de cet exploit technologique. L'idée de la manipe était de faire durer le plus longtemps possible le plasma à haute température, pas de produire de l'énergie et encore moins d'être rentable. Donc, il serait sans intérêt scientifique de faire le bilan énergétique, à savoir mesurer le rapport de l'énergie dissipée (produite par la fusion nucléaire) sur l'énergie consommée (dépensée pour produire la fusion nucléaire) qui est ici, dans cette expérience, de l'ordre de 0. En effet, l'énergie dépensée pour cette manipe a été de l'ordre de 2,7 GJ (gigajoule), qu'on peut calculer ainsi : 2 x 1 000 000 J/s (=W) x 1 337 secondes = 2,7 x 1 000 000 000 J. Quant à l'énergie produite, elle est quasiment nulle car dans ces conditions, l'hydrogène ne produit pas d'énergie. L'objectif de cette expérience, c'était de contrôler le confinement du plasma et la résistance des matériaux en présence.

Insistons sur ce bilan énergétique (le rapport en question est nommé facteur Q). Pour qu'il soit possible d'exploiter industriellement cette technologie, il faut bien que Q soit le plus supérieure possible à 1. En dessous de 1, on perd de l'énergie. En fait, même jusqu'à 5, on perd de l'énergie car il chauffage du plasma contrebalance aussi son refroidissement. Il faut être supérieur à 20 pour devenir économiquement viable, c'est-à-dire pour qu'une partie de l'énergie produite par la fusion puisse être utilisée pour maintenir le chauffage du plasma. La réaction en chaîne aura lieu si Q est infini, ce qui est techniquement impossible. La phase de chauffage du plasma est une phase transitoire qui amorce la fusion et sera toujours déficitaire en énergie, bien sûr. Une fois en "vitesse de croisière", l'idée est de minimiser l'énergie de maintien du plasma confiné et de récupérer l'énergie dégagée.

Aujourd'hui, le record du facteur Q revient au tokamak JET (Joint European Torus), situé près d'Oxford en Grande-Bretagne, le plus grand tokamak à ce jour, avec un Q de l'ordre de 0,65.

La construction du réacteur ITER, à Cadarache, devrait apporter un Q proche de 5 en fonctionnement continu. ITER sera alors le plus grand tokamak du monde (acronyme de International Thermonuclear Experimental Reactor, qui signifie aussi way, chemin en latin, d'où le mot itinéraire). Le projet ITER regroupe trente-cinq pays, ceux de l'Union Européenne, le Royaume-Uni, les États-Unis, la Corée du Sud, l'Inde, le Japon, la Chine, la Russie et la Suisse (le Brésil et le Kazakhstan ont demandé à s'intégrer à ce groupe). Son objectif est de maintenir un plasma dégageant une puissance de 500 MW pendant 500 secondes pour une puissance injectée de 50 MW. L'autre objectif est de démontrer la faisabilité d'une réaction de fusion auto-entretenue, ce qui n'a jamais encore été fait.

On comprend pourquoi le consortium ITER a choisi la France et Cadarache pour s'installer, grâce à la grande maîtrise technologique des chercheurs du CEA (l'exploit du 12 février 2025 l'a confirmé). Cadarache a été officiellement choisi le 28 juin 2005 à Moscou parmi trois autres candidats, l'Espagne, le Japon et le Canada. ITER ne sera pas un réacteur pour produire de l'électricité, il n'est conçu que pour produire du plasma et de l'énergie, pas la transformer ensuite, par turbine, etc., en électricité, ce qui sera un stade ultérieur du développement.

Le projet ITER a été initié dès l'automne 1985 par la Russie. Mikhaïl Gorbatchev l'a proposé à François Mitterrand le 2 octobre 1985 à Paris puis à Ronald Reagan le 19 novembre 1985 à Genève. Le physicien russe Evgueni Velikhov (1935-2014), qui a présidé le conseil d'administration du projet ITER de 1992 à sa mort le 5 décembre 2024, a effectivement expliqué le 17 novembre 2010 à Cadarache : « Nous savions que seul un vaste programme international pourrait nous permettre de démontrer la faisabilité scientifique et technique de l'énergie de fusion. En 1985, Gorbatchev, qui avait longuement discuté de ce projet avec le Président Mitterrand lors de sa première visite en France, un mois avant la rencontre au Sommet de Genève, l'a proposé à Reagan. Et c'est ainsi que tout a vraiment commencé. ».

Le réacteur ITER devrait être opérationnel à partir de 2036 pour produire son premier plasma confiné. Le projet a eu de nombreuses années de retard par rapport aux plannings initial ou intermédiaires, pour des raisons politiques ou financières. En 2024, les frais déjà engagés pour ITER étaient estimés à entre 20 et 40 milliards d'euros (ce qui, finalement, est assez faible pour un projet d'une telle importance stratégique mondiale).

La normalienne Anne-Isabelle Étienvre, agrégée de sciences physiques et docteure en physique des particules, est la directrice de la recherche fondamentale du CEA depuis le 6 novembre 2023. Elle a exprimé son enthousiasme pour le record réalisé par les chercheurs de Cadarache : « WEST a franchi une étape technologique importante en maintenant un plasma d'hydrogène pendant plus de vingt minutes (…). Cet excellent résultat permet à WEST et à la communauté française de se positionner au premier plan pour préparer l’exploitation d’ITER. ». Bravo la science ! Bravo la France !


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Sylvain Rakotoarison (30 avril 2025)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
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