Une centrale à fusion inertielle est une centrale électrique destinée à produire industriellement de l'électricité à partir de l'énergie de la fusion nucléaire par des techniques de confinement inertiel. Ce type de centrale est, dans les années 2020, encore au stade de la recherche.
On considère souvent que le seul procédé de fusion qui ait des chances d'aboutir à moyen terme (d'ici quelques décennies) à la production civile d'énergie est la filière tokamak utilisant la technique du confinement magnétique, représentée par le projet ITER. Cependant, des études récentes permettent d'envisager, parallèlement à la filière tokamak, la mise en place d'une seconde filière de production qui utiliserait de telles centrales à fusion inertielle.
Fission et fusion vignette|gauche|Schéma de fission nucléaire de l'. vignette|Schéma de fusion nucléaire du deutérium et du tritium.
Contrairement à la fission, dans laquelle des noyaux d'atomes lourds se scindent de façon à former des noyaux plus légers, la fusion se produit lorsque deux noyaux d'atomes légers se réunissent pour former un noyau plus lourd. Dans les deux cas, la masse totale des noyaux produits étant inférieure à la masse d'origine, la différence, appelée défaut de masse, est transformée en énergie selon la célèbre formule d'Albert Einstein E=mc (où E est l'énergie produite, m la masse disparue et c la vitesse de la lumière dans le vide).
La fission utilise comme combustible l'uranium ou le plutonium ; l'uranium est un élément disponible naturellement (bien qu'en quantités limitées) et le plutonium est un élément artificiel produit grâce à des réactions nucléaires.
La fusion civile utilise des isotopes de l'hydrogène : le deutérium (constituant de l'eau lourde), en quantités quasi illimitées dans les océans, et le tritium, existant naturellement en petites quantités dans l'atmosphèreLe tritium atmosphérique est produit naturellement de façon continue par l'action des rayons cosmiques sur les gaz de la haute atmosphère, principalement sur l'azote., mais surtout produit artificiellementLe tritium peut être produit en irradiant une cible de lithium par des neutrons ; c'est également un sous-produit de l'exploitation des centrales nucléaires à fission. ; d'autres éléments, comme le lithium, sont utilisés dans les bombes H.
Techniques de production civile d'énergie de fusion vignette|Une microcapsule de combustible pour confinement inertiel par laser.
Deux techniques concurrentes sont candidates à la production civile d'énergie de fusion : la fusion par confinement magnétique est notamment mise en œuvre dans le projet ITER ; les réacteurs utilisant cette technique sont constitués d'une vaste enceinte en forme de tore, à l'intérieur de laquelle un plasma constitué d'un combustible de fusion (mélange de deutérium et de tritium dans le projet actuel), confiné par des champs magnétiques intenses, est porté à très haute température (plus de de degrés) pour permettre aux réactions de fusion de prendre naissance ; ce type de réacteur est destiné à fonctionner en régime quasi continu ; la fusion par confinement inertiel serait mise en œuvre dans les réacteurs à fusion inertielle en projet ; l'énergie proviendrait, non pas d'un plasma fusionnant de façon continue, mais de la fusion de microcapsules de combustible, répétée de façon cyclique, selon un principe analogue à celui du moteur à explosion, la fusion étant obtenue grâce à la densité et à la température atteintes dans la microcapsule lorsqu'elle est soumise à un rayonnement laser (confinement inertiel par laser), à un faisceau de particules (confinement inertiel par faisceau d'ions) ou à un processus de striction magnétique (confinement inertiel par striction magnétique).
Historique de l'énergie de fusion vignette|Explosion de Ivy Mike, la première bombe H testée.
La fission comme la fusion ont d'abord été utilisées dans le domaine militaire, pour la réalisation de bombes de très forte puissance : bombes A pour la fission et bombes H pour la fusion. C'est d'ailleurs une petite bombe A qui sert d'« amorce » à la bombe H en produisant l'énergie nécessaire à la détonation de celle-ci.
Les applications civiles, pour lesquelles la production d'énergie ne se fait plus de façon explosive, mais sous une forme contrôlée, ne sont apparues que par la suite. Si, pour la fission, il s'est écoulé moins de 10 ans entre les applications militaires et la production civile d'énergieL'explosion de la première bombe A date du dans le désert du Nouveau-Mexique, à Alamogordo, et la première centrale nucléaire civile a été connectée au réseau électrique le à Obninsk en Russie., il n'en a pas été de même pour la fusion, plus de 50 ans s'étant déjà écoulésLa première bombe H, Ivy Mike, a été lancée sur l'atoll de Eniwetok, dans l'océan Pacifique, le (heure locale). sans qu'aucune centrale de production n'ait encore été mise en service.
Le premier brevet de réacteur à fusionBritish Patent 817681, sur espacenet.com. a été déposé en 1946 par l'Autorité de l'Énergie Atomique du Royaume-Uni, l'invention étant due à Sir George Paget Thomson et Moses Blackman. On y trouve déjà certains principes de base utilisés dans le projet ITER : la chambre à vide en forme de tore, le confinement magnétique, et le chauffage du plasma par ondes radio-fréquence.
Dans le domaine du confinement magnétique, ce sont les travaux théoriques réalisés en 1950-1951 en Union soviétique par Igor Tamm et Andreï Sakharov qui ont jeté les bases de ce qui deviendra le tokamak, les recherches et développements réalisés ensuite au sein de l'Institut Kurchatov de Moscou ayant conduit à la concrétisation de ces idées. Des équipements de recherche de ce type ont par la suite été développés dans de nombreux pays et, bien que le stellarator l'ait un moment concurrencé, c'est le principe du tokamak qui a été retenu pour le projet international ITER.
Le phénomène de la striction magnétique est lui connu depuis la fin du Le premier à en avoir expérimenté les effets est Martinus van Marum aux Pays-Bas en 1790 : .. Son utilisation dans le domaine de la fusion est issue de recherches effectuées sur des dispositifs toroïdaux, d'abord au Laboratoire de Los Alamos dès 1952, au sein du Perhapsatron, et en Grande-Bretagne à partir de 1954, dans l'expérience , mais les principes physiques restèrent longtemps mal compris et mal maîtrisés. Cette technique ne fut efficacement mise en œuvre qu'avec l'apparition du principe de la « cage à fils » dans les années 1980.
Bien que l'utilisation de lasers pour déclencher des réactions de fusion ait été envisagée auparavant, les premières expériences sérieuses n'eurent lieu qu'après la conception de lasers d'une puissance suffisante, au milieu des années 1970. La technique d'implosion « ablative » d'une microcapsule irradiée par des faisceaux laser, base du confinement inertiel par laser, fut proposée en 1972 par le Lawrence Livermore National Laboratory.
Avantages de la fusion vignette|La Terre vue de l'espace (mission Apollo 17).
Les partisans de l'énergie de fusion mettent en avant de nombreux avantages potentiels par rapport aux autres sources d'énergie électrique : aucun gaz à effet de serre, comme le gaz carbonique, n'est dégagé ; le combustible, constitué de deutérium ou de tritium (isotopes de l'hydrogène) dans la plupart des projets actuels, ne présente aucun risque de pénurie : le deutérium existe en quantité quasi illimitée dans les océans et le tritium est un sous-produit de la production d'énergie nucléaire, aussi bien de fission que de fusion ; la quantité de déchets radioactifs est beaucoup plus faible que celle produite par les réacteurs nucléaires à fission actuellement utilisésLa production de déchets radioactifs serait même complètement absente si l'on utilisait des réactions de fusion ne produisant pas de neutrons (notamment certaines réactions impliquant le lithium, le bore ou l'), qui demandent cependant des températures de plasma beaucoup plus élevées (de 500 millions à plusieurs milliards de degrés) et sont impraticables dans les tokamaks. Les annonces en mars 2006 de températures supérieures à 2 milliards de degrés, obtenues par striction magnétique, sont une avancée dans cette direction. ; mais surtout, la période radioactive des déchets est beaucoup plus courte, de l'ordre de quelques dizaines d'années, contre des centaines de milliers d'années, voire des millions d'années, pour certains des déchets des réacteurs à fission ; la fusion inertielle devrait permettre des installations de taille et de coût réduits par rapport à la filière tokamak-ITER, ce qui autoriserait une production d'énergie plus décentralisée.
Projets de centrale à fusion inertielle Projets concurrents Plusieurs projets concernent des centrales à fusion inertielle. On trouve notamment : aux États-Unis, des projets autour du National Ignition Facility (confinement par laser) et de la Z machine (confinement par striction magnétique) ; en France, un projet autour du laser Mégajoule : GenF, filiale créée en par Thales, développe son projet Taranis, sélectionné dans le cadre de l'appel à projet « réacteurs nucléaires innovants » par France 2030. Son objectif est de développer d'ici à 2040 un réacteur de susceptible de fournir une énergie au prix du marché, soit Frank Niedercorn, « Fusion nucléaire : Thales veut revenir dans la course mondiale grâce au Laser Megajoule », Les Échos, 15 mai 2025. ; au Japon (Université d'Osaka), le projet KONGOH (confinement par laser). Un seul d'entre eux utilise le confinement par striction magnétique, tous les autres ayant retenu le confinement par laser.
Les phases d'un tel type de projet sont les suivantesDans le domaine du confinement magnétique, la phase 2 correspond aux objectifs d'ITER, la phase 3 à ceux de son successeur Démo prévu pour 2040, et la phase 4 à ceux du réacteur PROTO envisagé vers 2050. : Démonstration de l'allumage : obtention reproductible d'un dégagement d'énergie ; Démonstration d'un gain élevé : réalisation d'une installation démontrant la faisabilité d'un réacteur ayant un gain énergétique suffisant ; Démonstration industrielle : validation des différents choix techniques et de l'ensemble des données nécessaires à la définition d’un réacteur de type commercial ; Démonstration commerciale : démonstration de l'aptitude du réacteur à fonctionner sur une longue période en respectant les exigences de sûreté, de fiabilité et de coût.
À l'heure actuelle (2006) et selon les données disponibles (les lasers Mégajoule et National Ignition Facility ne sont pas encore en service complet), aucun des projets exploitant la fusion par confinement inertiel n'a dépassé la première phase, que ce soit par laser (bien que l'espoir soit grand d'y parvenir lors de la mise en service complète du NIF et de Mégajoule, autour de 2010) ou par striction magnétique (Z-machine) ; ces techniques doivent maintenant démontrer leur faculté d'obtenir un gain élevé en énergie de fusion, ainsi que leurs capacités de fonctionnement répétitif.
Principes généraux d'un réacteur à fusion inertielle Pour en faciliter la compréhension, on s'appuiera sur l'analogie de son fonctionnement avec celui du moteur à explosion. En utilisant cette analogie, on peut se représenter le processus comme un cycle à quatre temps : admission du combustible (la microcapsule) dans la chambre du réacteur ; compression de la microcapsule afin de donner naissance aux réactions de fusion ; combustion (fusion) au sein du plasma créé lors de la compression, entrainant la libération d'énergie ; échappement des résidus de la réaction, qui seront ensuite traités pour en extraire les éléments réutilisables, comme le tritium.
vignette|redresse|« Hohlraum » en or utilisé dans le confinement par laser.
Pour permettre ce type de fonctionnement, un réacteur à fusion inertielle se compose de plusieurs sous-ensembles :