La fusion nucléaire

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Description

L'énergie est LA préoccupation géopolitique majeure des Etats depuis 1973. L'environnement et la pollution est celle de la Planète (ou presque...) depuis les années 90. Or le lien entre énergie et environnement est avéré; et l'émission de gaz à effet de serre affecte le climat. Le monde scientifique se trouve face à un énorme défi : soit permettre à tous d'accéder à l'énergie selon les modalités existantes, soit inventer un nouveau mode de production énergétique indispensable au développement. Si l'énergie issue de la fission d'éléments lourds est maîtrisée depuis un demi-siècle tant au plan militaire que civil, il en va très différemment de l'énergie issue de la fusion des éléments légers (hydrogène, deutérium et tritium). En effet, cette fusion ne peut intervenir qu'à des températures très élevées, ce qui pose des problèmes inédits.

Les recherches ont permis de réaliser la fusion pendant quelques secondes, établissant que la méthode est possible. L'isolation des volumes où se produit la fusion se fait selon deux voies : la voie du confinement magnétique, dont les réacteurs Tokamaks ont montré la faisabilité, et la voie du confinement inertiel, dont le principe a été vérifié. Il faut noter cependant que toutes ces expériences consomment jusqu'à présent plus d'énergie qu'elles n'en produisent. Même si la faisabilité de la fusion est chose établie, son exploitation industrielle reste encore très éloignée.

L'importance des travaux dans chacune de ces voies implique une coopération internationale qui s'est organisée autour de la voie du confinement magnétique : Iter et IFMIF associent la Communauté européenne, le Japon, les États-Unis, la Chine, la Russie, la Corée et l'Inde. Il n'est pas du rôle de l'Académie des sciences de dégager le poids relatif que les États doivent consacrer aux énergies renouvelables, aux économies d'énergie et aux travaux scientifiques prospectifs, mais il est raisonnable d'aborder cette question de la fusion en tant que telle. C'est pourquoi ce rapport en présente les caractéristiques essentielles en faisant le point sur les connaissances scientifiques et techniques acquises, et sur les pistes des recherches à entreprendre avant de pouvoir construire des usines productrices d'énergie.

Cet ouvrage a regroupé des spécialistes engagés dans les travaux les plus théoriques et dans les expériences de confinement magnétique et de confinement inertiel. L'Académie a souhaité en outre présenter les conséquences immédiates, pour la France, de son association avec les partenaires d'Iter.

Sujets

• Techniques
• Energie et Environnement
• Energie & environnement
• Physique
• Physical attractiveness
• Science
• Nucléaire
• Nuclear
• Physics
• Sciences et techniques

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 01 avril 2007
• Nombre de lectures: 1
• EAN13: 9782759801978
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

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La fusion nucléaire : de la recherche fondamentale à la production d’énergie ?

o RAPPORT SUR LA SCIENCE ET LA TECHNOLOGIEN 26 Animateur : Guy Laval

ACADÉMIE DES SCIENCES

17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

Rapports sur la science et la technologie

–Sciences et pays en développement. Afrique subsaharienne francophone o RST n 21, 2006.

–La recherche spatiale française o RST n 22, 2006.

–L’épidémiologie humaine. Conditions de son développement en France, et rôle des mathématiques o RST n 23, 2006.

–La maîtrise des maladies infectieuses. Un défi de santé publique, une ambition médico-scientifique o RST n 24, 2006.

–Les eaux continentales o RST n 25, 2006.

Imprimé en France

EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, c 2007, 91944 Les Ulis Cedex A

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et consti- tue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes ci- tations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des pho- tocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : [phone].

ISBN 978-2-86883-862-9

Académie

Rapport

des

Science

sciences

et

Technologie

Le Comité interministériel du 15 juillet 1998, à l’initiative du ministre de l’Édu- cation nationale, de la Recherche et de la Technologie, a confié à l’Académie des sciences l’établissement du rapport biennal sur l’état de la science et de la technologie.

Pour répondre à cette demande, l’Académie des sciences a mis en place en son sein le Comité «Rapport Science et Technologie» (RST), chargé de choisir les sujets d’étude et de suivre les travaux.

Chaque thème retenu est conduit par un groupe de travail animé par un membre ou un correspondant de l’Académie, entouré d’experts.

Chaque rapport est soumis au Comité RST, à un Groupe de lecture critique, et à l’Académie des sciences.

Entre 1999 et 2006, vingt-cinq rapports ont ainsi été édités et remis au mi- nistre délégué à la Recherche.

COMPOSITION DU COMITÉ RST

Alain ASPECT Membre de l’Académie des sciences — Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique, professeur à l’École polytechnique

Jean-François BACH Secrétaire perpétuel de l’Académie des sciences — Professeur à l’université René-Descartes

Jean-Michel BONY Membre de l’Académie des sciences — Professeur à l’École polytechnique

Christian BORDÉ Correspondant de l’Académie des sciences – Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique

Édouard BRÉZIN Président de l’Académie des sciences — Professeur à l’université Pierre-et- Marie-Curie et à l’École polytechnique

Philippe TAQUET Membre de l’Académie des sciences — Professeur au Muséum national d’histoire naturelle

Geneviève COMTE-BELLOT Correspondant de l’Académie des sciences — Professeur émérite de l’École centrale de Lyon

François CUZIN Membre de l’Académie des sciences — Professeur à l’université de Nice-Sophia- Antipolis

Jean DERCOURT Secrétaire perpétuel de l’Académie des sciences — Professeur émérite à l’université Pierre-et-Marie-Curie

Christian DUMAS Membre de l’Académie des sciences — Professeur à l’École normale supérieure de Lyon

Michel FARDEAU Correspondant de l’Académie des sciences — Professeur au Conservatoire na- tional des arts et métiers, directeur médical et scientifique à l’Institut de myologie (Hôpital de la Pitié Salpêtrière)

vi

L N UC L É AI REUSI ON A F

Jules HOFFMANN Vice-président de l’Académie des sciences — Directeur de l’Institut de biologie moléculaire et cellulaire de Strasbourg Jean-Pierre KAHANE Membre de l’Académie des sciences — Professeur émérite à l’université Paris- Sud Orsay Daniel KAPLAN Membre de l’Académie des sciences — Directeur de la société Fastlite

Henri KORN Membre de l’Académie des sciences — Professeur honoraire à l’institut Pasteur et directeur de recherche honoraire à l’Institut national de la santé et de la recherche médicale Nicole LE DOUARIN Secrétaire perpétuelle honoraire de l’Académie des sciences — Professeur honoraire au Collège de France

Jean-Louis LE MOUËL Membre de l’Académie des sciences — Physicien à l’Institut de physique du globe de Paris François MATHEY Membre de l’Académie des sciences — Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique, professeur à l’École polytechnique René MOREAU Membre de l’Académie des sciences — Professeur à l’Institut national polytechnique de Grenoble Olivier PIRONNEAU Membre de l’Académie des sciences — Professeur à l’université Pierre-et-Marie- Curie

Jean-Pierre SAUVAGE Membre de l’Académie des sciences — Directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique Moshe YANIV Membre de l’Académie des sciences — Professeur à l’Institut Pasteur et directeur de recherche au Centre national de la recherche scientifique

Coordination éditoriale :

Jean-Yves CHAPRON Directeur du service des Joëlle FANON

Publications de l’Académie des sciences, assisté de

AVANT-PROPOS

La production d’énergie est au cœur des préoccupations de tous les États du monde. Les uns sont privés de ressources énergétiques, ce qui limite leur déve- loppement. Les autres, gros consommateurs d’énergie, visent à accroître leurs ressources traditionnelles, c’est-à-dire les hydrocarbures et le charbon, et simul- tanément à construire une société moins consommatrice d’énergie, en portant notamment un effort significatif sur les matériaux de construction dits « intelli- gents », qui seraient énergétiquement autosuffisants.

Les pays qui accèdent rapidement au développement (dont la Chine et l’Inde sont les plus représentatifs) ne peuvent se contenter d’économiser l’énergie qu’ils consomment peu. Ils tendent alors dans l’immédiat à accroître les sources d’éner- gie rapidement accessibles, dont la principale est le charbon, car ils disposent de très grands gisements exploitables, et, à plus long terme, à utiliser l’énergie nucléaire de fission.

Depuis quelques dizaines d’années, un nouveau concept s’impose. Non seulement les énergies actuellement les plus consommées (c’est-à-dire les éner- gies fossiles) affectent le climat en émettant des gaz à effet de serre, mais ces variations anthropiques de l’environnement paraissent insupportables.

Ainsi, le monde scientifique se trouve face à un énorme défi : soit permettre à tous d’accéder à l’énergie selon les procédures existantes, soit inventer un nouveau mode de production énergétique indispensable au développement des peuples.

L’énergie nucléaire de fission est une réponse possible : le stockage, l’entre- posage ou la transmutation des déchets radioactifs en déchets stables ou en les transformant eux-mêmes en matériaux énergétiques, est une méthode possible et activement étudiée. Mais un autre processus nucléaire est en voie d’exploration : il concerne la fusion. Les expériences actuelles et plus anciennes, échelonnées sur plusieurs décennies, sont présentées ici. Ce procédé est fondé sur la fusion des noyaux d’éléments chimiques de petite taille et en particulier d’un isotope lourd de l’hydrogène, le deuterium, abondant dans les eaux des océans, et de tritium, autre isotope de l’hydrogène. L’hydrogène contient un nucléon, le deu- terium en contient deux et le tritium, trois. Au cours de la fusion, quatre de ces nucléons s’associent pour donner un noyau d’hélium à quatre nucléons empor- tant une très forte énergie cinétique (3,5 MeV) et un nucléon isolé, un neutron de 14 MeV qui contient 80 % de l’énergie produite dans la réaction. Tous ces produits sont abondants et bon marché.

viii

L USI ON A F N UC L É AI RE

Le présent rapport étudie les deux voies réalisables pour une fusion contrôlée, qui doit maîtriser les émissions neutroniques : l’une par confinement magnétique, l’autre par confinement inertiel.

Il y eut plus d’un siècle de la pile de Volta à l’éclairage électrique des rues de Paris sous les conseils de Leblond. Il y aura loin d’aujourd’hui à l’utilisation commerciale de l’énergie par fusion nucléaire. Mais il est raisonnable et pros- pectif d’aborder cette question, dont ce rapport présente les caractéristiques essentielles.

Il n’est pas du rôle de l’Académie des sciences de dégager le poids rela- tif que les États doivent consacrer aux énergies renouvelables, aux économies d’énergie à moyen et long terme et aux travaux scientifiques qui, pendant de nombreuses décennies, exploreront l’aptitude de la fusion à produire une éner- gie consommable.

Si l’énergie issue de la fission de gros éléments chimiques est maîtrisée de- puis un demi-siècle tant au plan militaire que civil, il en va très différemment de l’énergie issue de la fusion de très petits éléments (hydrogène, deuterium et tritium). Cette fusion ne peut intervenir qu’à des températures très élevées (quelques 100 millions de degrés).

Les recherches, depuis près d’un demi-siècle, ont permis de réaliser la fusion pendant quelques secondes, établissant que la méthode est possible. L’isolation des volumes où se produit la fusion se fait selon les deux voies mentionnées plus haut : la voie d’isolation magnétique, les Tokamaks en ont établi la faisabilité, et la voie d’isolation inertielle dont le principe a été vérifié par des expériences (Centurion-Halite), mais toutes ces expériences consomment jusqu’à présent plus d’énergie qu’elles n’en produisent.

Bref, même si la faisabilité de la fusion est chose établie, il y a très loin pour atteindre une exploitation routinière.

L’intérêt de cette méthode de production tient, d’une part au fait que les ma- tériaux utilisés dans la combustion sont inépuisables (eau des océans) et d’autre part au fait qu’aucun déchet radioactif n’est engendré. Cependant, bien des in- terrogations subsistent, par exemple, au cours de la réaction, des neutrons de 14 millions d’électrovolts sont engendrés et aucun matériau existant n’est sus- ceptible de résister à cette énergie colossale.

L’Académie des sciences a souhaité faire le point sur les connaissances scien- tifiques et techniques acquises, sur les pistes des recherches à entreprendre afin que puissent être établies les étapes à franchir avant de pouvoir réaliser des usines productrices d’énergie.