Comment fonctionne un réacteur à fusion nucléaire comme ITER ?

ITER est un dispositif expérimental destiné à étudier la fusion nucléaire par confinement magnétique. Installé à Cadarache, dans les Bouches-du-Rhône, ce tokamak cherche à reproduire sur Terre le principe général des réactions de fusion qui alimentent les étoiles, mais en utilisant une réaction entre deux isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. Son objectif n’est pas de fournir directement de l’électricité, mais de vérifier qu’un plasma très chaud peut être maintenu et produire davantage d’énergie de fusion qu’il n’en faut pour le chauffer.

Former un plasma à très haute température

Le deutérium et le tritium sont des noyaux légers portant une charge électrique positive. Pour fusionner, ils doivent s’approcher suffisamment malgré leur répulsion électrostatique. ITER porte donc le mélange à une température supérieure à 150 millions de degrés Celsius. À cette température, les électrons ne restent plus liés aux noyaux : la matière devient un plasma, constitué de particules chargées extrêmement énergétiques. Aucun matériau ne pourrait contenir directement ce plasma sans être détruit. Le réacteur doit donc le maintenir à distance des parois grâce à des champs magnétiques.

Le confinement magnétique du tokamak

La chambre d’ITER a la forme d’un anneau, ou tore. Des aimants supraconducteurs placés autour de cette chambre produisent un champ magnétique très puissant. La combinaison du champ toroïdal, qui suit la grande circonférence de l’anneau, et du champ poloïdal, orienté autour de sa section, fait suivre aux particules des trajectoires en spirale. Cette configuration limite leur contact avec les parois et confine le plasma. Le courant électrique qui circule dans le plasma contribue également à créer une partie du champ magnétique et à le chauffer. D’autres systèmes de chauffage sont nécessaires pour atteindre puis maintenir les conditions favorables à la fusion.

La réaction de fusion et l’énergie produite

Dans la réaction étudiée par ITER, un noyau de deutérium fusionne avec un noyau de tritium. Cette réaction produit un noyau d’hélium, appelé particule alpha, et un neutron, en libérant 17,6 mégaélectronvolts d’énergie. La particule alpha, qui est chargée, reste sensible aux champs magnétiques et transfère une partie de son énergie au plasma : elle participe ainsi à son autochauffage. Le neutron, électriquement neutre, n’est pas retenu par les aimants. Il traverse le plasma et dépose son énergie sous forme de chaleur dans les structures qui l’entourent. Dans une future centrale, cette chaleur pourrait être récupérée par un fluide afin de produire de la vapeur et d’actionner une turbine, mais ITER lui-même ne transformera pas cette chaleur en électricité.

Les limites d’ITER et les étapes suivantes

La fusion ne fonctionne que si la température, la densité du plasma et la durée de confinement restent simultanément suffisantes. Une instabilité ou une perte de confinement refroidit rapidement le plasma et interrompt la réaction ; il n’y a donc pas de réaction en chaîne comparable à celle d’un réacteur à fission. ITER doit surtout démontrer la maîtrise d’un plasma de fusion durable et étudier le comportement des matériaux soumis aux neutrons. Il ne constitue pas encore une centrale commerciale et ne produira pas d’électricité. Des réacteurs ultérieurs devront résoudre d’autres difficultés, notamment l’évacuation de la chaleur, la résistance des matériaux, la gestion du tritium et, dans une centrale, sa production à partir du lithium. La fusion pourrait générer moins de déchets radioactifs à vie longue que la fission, mais elle ne serait pas totalement dépourvue de radioactivité : les matériaux exposés aux neutrons peuvent être activés et le tritium est lui-même radioactif.