vignette| L'expérience de fusion magnétique du Joint European Torus (JET) en 1991. L'énergie de fusion nucléaire est une forme de production d'électricité du futur qui utilise la chaleur produite par des réactions de fusion nucléaire. Dans un processus de fusion, deux noyaux atomiques légers se combinent pour former un noyau plus lourd, tout en libérant de l'énergie. De telles réactions se produisent en permanence au sein des étoiles. Les dispositifs conçus pour exploiter cette énergie sont connus sous le nom de réacteurs à fusion nucléaire. Les travaux sur la fusion nucléaire ont débuté dans les années 1940, mais en 2023, il n'existe qu'une seule conception opérationnelle qui a réussi à obtenir un facteur de gain d'énergie de fusion supérieur à 1. Il s'agit d'une machine de fusion par confinement inertiel au National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis. Cela signifie que les réactions de fusion ont généré plus d'énergie que celle nécessaire pour alimenter le combustible afin de créer les conditions requises pour déclencher ces réactions.

Les processus de fusion nécessitent du carburant et un environnement confiné avec une température, une pression et un temps de confinement suffisants pour créer un plasma au sein duquel les réactions de fusion peuvent se produire. L'ensemble de ces conditions est connu sous le nom de critère de Lawson. Au centre des étoiles, le combustible le plus courant est l'hydrogène, et la gravité qui règne fournit une pression et des temps de confinement extrêmement longs, permettant d'atteindre les conditions nécessaires. Les réacteurs à fusion proposés utilisent généralement des isotopes lourds de l'hydrogène, tels que le deutérium et le tritium (et surtout un mélange des deux), parce qu'ils réagissent plus facilement que le protium (l'isotope de l'hydrogène le plus courant) et permettent d'atteindre les exigences du critère de Lawson avec des conditions moins extrêmes, plus faciles à reproduire que celles présentes au centre des étoiles. La plupart des conceptions de réacteurs visent à chauffer leur carburant à environ 100 millions de degrés, ce qui représente un défi majeur.

En tant que source d'énergie, la fusion nucléaire devrait présenter de nombreux avantages par rapport à la fission. Parmi ceux-ci, on peut noter : une radioactivité réduite durant le fonctionnement, peu de déchets nucléaires de haute activité, un approvisionnement abondant en combustible et une sécurité accrue. Cependant, la nécessité de combiner une température et une pression élevées pendant une durée importante s'est avérée une difficulté majeure pour concevoir des dispositifs pratiques et économiques. Un deuxième problème qui affecte les réacteurs est la gestion des neutrons qui sont libérés au cours des réactions de fusion. Au fil du temps, ils dégradent de nombreux matériaux couramment utilisés pour fabriquer la chambre de fusion.

Les chercheurs en fusion ont étudié diverses conceptions de confinement. Au début, l'accent était mis sur trois systèmes principaux : le pincement (ou z-pinch), le stellarator et le miroir magnétique. Les conceptions phares actuelles sont le confinement magnétique et le confinement inertiel par laser. Les deux conceptions font l'objet de recherches à très grande échelle, avec notamment les tokamaks des projets ITER en France et SPARC aux États-Unis, ainsi que le laser du NIF également aux États-Unis. Les chercheurs étudient également d'autres conceptions qui peuvent offrir des approches moins onéreuses. Parmi ces alternatives, on note un intérêt croissant pour la fusion à cible magnétisée (en anglais : magnetized target fusion ou MTF) et le confinement inertiel électrostatique, ainsi que de nouvelles variantes du stellarator.

Concepts de base vignette| Le Soleil, comme les autres étoiles, est un réacteur à fusion naturelle, dans lequel la nucléosynthèse stellaire transforme des éléments légers en éléments plus lourds, en libérant de l'énergie. vignette| Énergie de liaison par nucléon pour les différents noyaux atomiques. Le maximum se trouve pour le fer 56, ce qui en fait le noyau le plus stable. Les noyaux situés à gauche sont susceptibles de libérer de l'énergie lorsqu'ils s'assemblent pour former un noyau plus lourd (fusion nucléaire). Ceux situés à l'extrême droite sont susceptibles d'être instables et de libérer de l'énergie lorsqu'ils se divisent en noyaux plus légers (fission nucléaire).

Mécanisme Une réaction de fusion se produit lorsque deux ou plusieurs noyaux atomiques se rapprochent suffisamment pendant une durée suffisamment longue pour que la force nucléaire qui attire les nucléons surpasse la force électrostatique qui repousse les protons. Si les conditions sont remplies, les noyaux fusionnent pour former un noyau plus lourd. Pour les noyaux plus lourds que le fer 56, la réaction est endothermique, et elle nécessite un apport d'énergie. Les noyaux plus gros que le fer 56 ont beaucoup plus de protons, ce qui entraîne une plus grande force répulsive. Pour les noyaux plus légers que le fer 56, la réaction est exothermique (elle libère de l'énergie). Étant donné que l'hydrogène a un seul proton dans son noyau, c'est lui qui nécessite le moins d'efforts pour atteindre la fusion et il fournit la production d'énergie la plus élevée. De plus, puisqu'il ne possède qu'un seul électron, l'hydrogène est le combustible le plus facile à ioniser complètement.

L'interaction électrostatique répulsive entre les noyaux agit sur des distances plus grandes que la force nucléaire attractive. Cette dernière a une portée d'environ un femtomètre (approximativement le diamètre des protons et des neutrons). Les atomes du combustible doivent recevoir suffisamment d'énergie cinétique pour surmonter la répulsion électrostatique et ainsi se rapprocher suffisamment les uns des autres pour permettre d'initier la fusion. La « barrière coulombienne » est la quantité d'énergie cinétique nécessaire pour rapprocher suffisamment les atomes dans le combustible. Pour produire cette énergie, les atomes peuvent être soit chauffés à des températures extrêmement élevées, soit accélérés dans un accélérateur de particules.

Les atomes perdent leurs électrons lorsqu'ils sont chauffés au-delà de leur énergie d'ionisation. Les noyaux nus qui en résultent sont des ions. Le résultat de cette ionisation est un plasma, qui est un nuage chauffé d'ions et d'électrons libres qui étaient auparavant liés au sein des atomes. Les plasmas étant composés de charges séparées, ils sont conducteurs d'électricité et peuvent être contrôlés par des champs magnétiques. Ces derniers sont donc utilisés par plusieurs dispositifs de fusion pour confiner les particules chaudes.

Section efficace droite|vignette| Le taux de réaction de fusion augmente rapidement avec la température jusqu'à un maximum, après quoi elle diminue progressivement. Le taux de la fusion deutérium-tritium culmine à une température plus basse (environ 70 keV, ou 800 millions de degrés Celsius) que les autres réactions couramment considérées pour l'énergie de fusion, et la valeur de son taux de réaction est plus élevée. La section efficace d'une réaction, notée σ, est une mesure de la probabilité qu'une réaction se produise. Elle dépend de la vitesse relative entre les deux noyaux. Dans le cas de la fusion, des vitesses relatives plus élevées augmentent généralement la probabilité, mais elle recommence à diminuer aux énergies très élevées.

Dans un plasma, la vitesse des particules peut être caractérisée à l'aide d'une distribution de probabilité. Si le plasma est thermalisé, la distribution est une distribution de Maxwell-Boltzmann. Dans ce cas, il est pratique d'utiliser la section efficace moyenne des particules sur l'ensemble de la distribution des vitesses . On calcule alors la puissance volumétrique de fusion entre deux espèces de noyaux A et B par :

où :

est l'énergie produite par la fusion, par unité de temps et par unité de volume. et sont les densités numériques respectives des deux espèces A et B des particules dans le volume. est la section efficace de cette réaction, moyennée sur toutes les vitesses des deux espèces. est l'énergie libérée par une réaction de fusion.

Critère de Lawson Le critère de Lawson montre comment la production d'énergie varie avec la température, la densité et la vitesse de collision dans un carburant donné. Cette équation était au cœur de l'analyse faite par John Lawson sur la fusion fonctionnant avec un plasma chaud. Lawson supposait le bilan énergétique suivant :

où :

est la puissance nette provenant de la fusion. est l'efficacité avec laquelle la puissance de fusion est capturée. est le taux d'énergie générée par les réactions de fusion, tel que défini ci-dessus. représente les pertes par conduction lorsque des particules énergétiques quittent le plasma. représente les pertes par rayonnement du plasma chaud.

Un nuage de plasma perd de l'énergie par conduction et par rayonnement. La conduction se produit lorsque des ions, des électrons ou des particules neutres impactent d'autres substances, généralement une surface de l'appareil, et transfèrent une partie de leur énergie cinétique aux autres atomes. Le rayonnement est l'énergie qui quitte le plasma sous forme électromagnétique. Il augmente avec la température. Les technologies d'énergie de fusion doivent surmonter ces pertes pour maintenir la température du plasma.

Triple produit : densité, température, temps alt=Fusion trapping (left) against temperature (bottom) for various fusion approaches as of 2021, assuming DT fuel.|vignette| Produit densité-temps de confinement (à gauche) en fonction de la température (en bas) pour diverses approches de fusion, en supposant du carburant deutérium-tritium (DT)Wurzel, Samuel E., and Scott C. Hsu. "Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion." arXiv preprint arXiv:2105.10954 (2021).. La courbe verte en haut à droite correspond à un facteur de gain Q = 1. Le dispositif du NIF est le seul actuellement au-dessus de Q = 1. ITER et SPARC sont prévus pour atteindre Q > 10 (courbe rouge). Le critère de Lawson stipule qu'une machine contenant un plasma thermalisé et quasi neutre doit générer suffisamment d'énergie pour compenser ses propres pertes. La quantité d'énergie produite dans un volume de plasma donné est fonction de la température (et donc du taux de réaction par particule), de la densité de particules dans ce volume, et enfin du temps de confinement (la durée pendant laquelle l'énergie reste à l'intérieur du volume. C'est ce qu'on appelle le « triple produit » : la densité du plasma, sa température et le temps de confinement.

Dans le cas du confinement par champ magnétique, la densité reste faible. Par exemple, dans le dispositif ITER, la densité de combustible est d'environ , soit de l'ordre du millionième de la densité de l'air à la pression atmosphérique. Cela signifie que la température et/ou le temps de confinement doit augmenter. Des températures pertinentes pour la fusion ont été atteintes en utilisant une variété de méthodes de chauffage qui ont été développées depuis le début des années 1970. Dans les machines modernes, le problème majeur restant à surmonter est celui du temps de confinement. Un plasma placé dans des champs magnétiques intenses est sujet à un certain nombre d'instabilités inhérentes, qui doivent être supprimées si l'on désire atteindre des durées utiles. Une façon d'y parvenir consiste simplement à agrandir le volume du réacteur, ce qui réduit le taux de fuite des particules qui diffusent au sein du plasma. C'est pourquoi ITER est aussi imposant.