Il y a un an, j'ai écrit une critique de la fusion en tant que source d'énergie, intitulée « Réacteurs à fusion: pas ce qu'ils sont censés être ». Cet article a suscité beaucoup d'intérêt, à en juger par les plus de 100 commentaires de lecteurs qu'il a générés. Par conséquent, on m'a demandé de rédiger un suivi et de poursuivre la conversation avec les lecteurs du Bulletin  .

Mais d'abord, un peu de contexte, pour le bénéfice de ceux qui viennent juste d'entrer dans la salle.

Je suis un physicien de recherche, qui a travaillé sur des expériences de fusion nucléaire pendant 25 ans au Princeton Plasma Physics Lab  dans le New Jersey. Mes intérêts de recherche portaient sur les domaines de la physique des plasmas et de la production de neutrons liés à la recherche et au développement de l'énergie de fusion. Maintenant que j'ai pris ma retraite, j'ai commencé à regarder toute l'entreprise de fusion avec plus de sérénité, et j'ai le sentiment qu'un réacteur à fusion commercial qui fonctionne tous les jours causerait plus de problèmes qu'il n'en résoudrait.

Je me sens donc obligé de dissiper une partie de l'hyperbole gee-whiz qui a surgi autour de la puissance de fusion, qui a été régulièrement annoncée comme la source d'énergie «parfaite» et présentée trop souvent comme la solution miracle aux problèmes énergétiques du monde. L'essai de l'année dernière a montré que les caractéristiques indéfiniment proclamées de la perfection énergétique (généralement «inépuisable, bon marché, propre, sûr et sans rayonnement») sont toutes démystifiées par de dures réalités - et qu'un réacteur à fusion serait en fait proche du contraire. d'une source d'énergie idéale. Mais cette discussion portait largement sur les inconvénients caractéristiques des réacteurs à fusion conceptuels , sur lesquels les partisans de la fusion continuent d'insister, ils seront en quelque sorte surmontés un jour.

Cependant, nous sommes maintenant à un point où, pour la première fois, nous pouvons enquêter sur une installation de réacteur à fusion prototypique dans le monde réel : le réacteur expérimental thermonucléaire international.(ITER), en construction à Cadarache, France. Même si le fonctionnement réel est encore dans des années, le projet ITER est suffisamment avancé pour que nous puissions l'examiner comme un cas de test pour la conception en forme de beignet connue sous le nom de tokamak - l'approche la plus prometteuse pour obtenir une énergie de fusion terrestre basée sur le confinement magnétique. En décembre 2017, la direction du projet ITER a annoncé que 50% des travaux de construction avaient été accomplis. Cette étape importante offre une confiance considérable dans l'achèvement éventuel de ce qui sera la seule installation sur Terre qui ressemble même de loin à ce qui est censé être un réacteur à fusion pratique. Comme le New York Times écrit, cette installation «est en cours de construction pour tester un rêve de longue date: que la fusion nucléaire, la réaction atomique qui a lieu dans le soleil et dans les bombes à hydrogène, puisse être contrôlée pour générer de l'énergie.

Les physiciens du plasma considèrent ITER comme le premier dispositif de confinement magnétique pouvant éventuellement démontrer un «plasma brûlant», où le chauffage par des particules alpha générées dans des réactions de fusion est le moyen dominant de maintenir la température du plasma. Cette condition nécessite que la puissance de fusion soit au moins cinq fois la puissance de chauffage externe appliquée au plasma. Bien qu'aucune de cette énergie de fusion ne soit réellement convertie en électricité, le projet ITER est principalement présenté comme une étape critique sur la voie d'une centrale électrique à fusion pratique, et cette affirmation est notre préoccupation ici.

Voyons ce que l'on peut déduire de certains inconvénients éventuellement irrémédiables des installations de fusion en observant l'effort ITER, en se concentrant sur quatre domaines: la consommation d'électricité, les pertes de combustible tritium, l'activation des neutrons et la demande en eau de refroidissement. La disposition physique de ce projet de 20 à 30 milliards de dollars est affichée sur la photo ci-dessous.

Une devise malavisée. Sur le site Internet d'ITER, on est accueilli par la proclamation «Unlimited Energy», qui est également le cri de guerre des amateurs de fusion du monde entier. L'ironie de ce slogan est apparemment perdue pour le personnel du projet et n'est pas soupçonnée par le public. Mais quiconque a suivi la construction du site ITER au cours des cinq dernières années - et cela est facilement suivi par des photographies et des descriptions détaillées sur le site Web du projet - aurait été frappé par l'énorme quantité d' énergie investie .

Le site Web se vante implicitement de cet investissement énergétique massif, décrivant chacun des sous-systèmes ITER comme le plus prodigieux de son genre. Par exemple, le cryostat, ou réfrigérateur à hélium liquide, est la plus grande enceinte à vide en acier inoxydable au monde, tandis que le tokamak lui-même pèsera jusqu'à trois tours Eiffel. Le poids total de l'installation centrale ITER est d'environ 400 000 tonnes, dont les composants les plus lourds sont de 340 000 tonnes pour les fondations et les bâtiments du complexe tokamak, et 23 000 tonnes pour le tokamak lui-même.

Mais les boosters devraient être en détresse plutôt qu'extatiques, car le plus grand et le plus grand signifie une grosse dépense en capital et un grand investissement énergétique, qui doivent apparaître du côté négatif du grand livre de comptabilité énergétique. Et cette énergie a été largement fournie par les combustibles fossiles, laissant une «empreinte carbone» insondable pour la préparation du site et la construction de toutes les installations de soutien, ainsi que du réacteur lui-même.

Sur le site du réacteur, des machines alimentées par des combustibles fossiles creusent d'énormes volumes de terre jusqu'à une profondeur de 20 mètres et fabriquent et installent d'innombrables tonnes de béton. Certains des plus gros camions du monde (alimentés par des combustibles fossiles) transportent des composants de réacteur gigantesques jusqu'au site d'assemblage. Les combustibles fossiles sont brûlés lors de l'extraction, du transport et du raffinage des matières premières nécessaires à la fabrication des composants du réacteur à fusion et éventuellement dans le processus de fabrication lui-même.

On peut se demander comment cette énergie dépensée pourrait être remboursée - et bien sûr ce ne sera pas le cas. Mais l'incarnation très visible de l'énorme investissement énergétique ne représente que la première composante de l'ironique «énergie illimitée».

Adjacent à ces bâtiments se trouve un poste de commutation électrique de 10 acres avec des sous-stations massives traitant jusqu'à 600 mégawatts d'électricité, ou MW (e), du réseau électrique régional, ce qui est suffisant pour approvisionner une ville de taille moyenne. Cette puissance sera nécessaire comme entrée pour répondre aux besoins d'exploitation d'ITER; aucune puissance ne circulera jamais vers l'extérieur, car la construction interne d'ITER rend impossible la conversion de la chaleur de fusion en électricité. Rappelez-vous qu'ITER est une installation de test conçue uniquement pour montrer la preuve de concept sur la façon dont les ingénieurs peuvent imiter le fonctionnement interne du soleil pour relier les atomes dans le monde réel de manière contrôlée; ITER n'est pas destiné à produire de l'électricité.

La sous-station électrique fait allusion à la grande quantité d'énergie qui sera dépensée pour faire fonctionner le projet ITER - et en fait toutes les grandes installations de fusion. Comme indiqué dans mon précédent bulletin  histoire , les réacteurs de fusion et des installations expérimentales doivent accueillir deux classes de fuite d'énergie électrique: Tout d' abord, un grand nombre de systèmes auxiliaires essentiels tels que cryostats, pompes à vide, et la construction de chauffage, de ventilation et de refroidissement doit être maintenue en permanence, même lorsque le plasma de fusion est en sommeil. Dans le cas d'ITER, cette consommation d'énergie non interruptible varie entre 75 et 110 MW (e), ont écrit JC Gascon et ses co-auteurs dans leur article de janvier 2012 pour Fusion Science & Technology,  «Design and Key Features for the ITER Electrical Distribution d'énergie."

La seconde catégorie de drain de puissance tourne directement autour du plasma lui-même, dont le fonctionnement se fait par impulsions. Pour ITER, au moins 300 MW (e) seront nécessaires pendant des dizaines de secondes pour chauffer le plasma réactif et établir les courants de plasma requis. Pendant la phase de fonctionnement de 400 secondes, environ 200 MW (e) seront nécessaires pour maintenir la combustion de fusion et contrôler la stabilité du plasma.

Même au cours des huit prochaines années de construction de la centrale et de shakedown, la consommation électrique sur site sera en moyenne d'au moins 30 MW (e), s'ajoutant à l'énergie investie et servant de précurseur du drain d'énergie non interruptible du site.

Mais une grande partie des informations sur les drains électriques - et les distinctions entre la production de chaleur prévue par ITER et non d'électricité - se sont perdues lorsque le projet a été décrit au public.

Illumination énergétique. Récemment, le site Web New Energy Times a  présenté un compte rendu bien documenté, «Le mythe de l'amplification de puissance ITER», sur la façon dont le service de communication de l'installation a diffusé des informations mal formulées sur le bilan de puissance ITER et a induit en erreur les médias. Une déclaration généralement répandue est que «ITER produira 500 mégawatts de puissance de sortie avec une puissance d'entrée de 50 mégawatts», ce qui implique que les deux chiffres se réfèrent à l'énergie électrique.

New Energy Times  indique clairement que les 500 mégawatts de sortie attendus se réfèrent à l'énergie de fusion (incorporée dans les neutrons et les alphas) ​​- ce qui n'a rien à voir avec l'énergie électrique. L'entrée de 50 MW dont il est question ici est la puissance de chauffage injectée dans le plasma pour aider à maintenir sa température et son courant, et ce n'est qu'une petite fraction de la puissance électrique totale d'entrée du réacteur. Cette dernière varie entre 300 et 400 MW (e), comme expliqué précédemment.

La critique technique du New Energy Times  est essentiellement valable et attire l'attention sur la puissance électrique colossale exigée par toute installation de fusion. En fait, il a toujours été reconnu qu'une énorme quantité d'énergie est nécessaire pour démarrer tout système de fusion. Mais les systèmes de fusion tokamak nécessitent également des centaines incessantes de mégawatts d'énergie électrique juste pour les faire fonctionner. Dans une réponse apparente aux critiques du New Energy Times , le site Web d'ITER et d'autres points de vente tels qu'Eurofusion  ont corrigé certaines déclarations trompeuses concernant le flux d'énergie.

Pourtant, le fonctionnement annoncé d'ITER pose des problèmes bien plus graves que l'étiquetage trompeur des puissances d'entrée et de sortie projetées. Alors que la puissance électrique d'entrée de 300 MW (e) et plus est incontestable, une question fondamentale est de savoir si ITER produira 500 MW de quoi que ce soit, une question qui tourne autour du combustible tritium vital - son approvisionnement, la volonté de l'utiliser, et le nécessaire pour optimiser ses performances. D'autres idées fausses concernent la nature réelle du produit de fusion

Tribulations au tritium.  Le combustible de fusion le plus réactif est un mélange 50/50 des isotopes d'hydrogène deutérium et tritium; ce combustible (souvent noté «DT») a une production de neutrons de fusion 100 fois supérieure à celle du deutérium seul, et une augmentation spectaculaire des conséquences du rayonnement.

Le deutérium est abondant dans l'eau ordinaire, mais il n'y a pas d'approvisionnement naturel en tritium, un nucléide radioactif avec une demi-vie de seulement 12,3 ans. Le site Web d'ITER indique que le carburant tritium sera «extrait de l'inventaire mondial du tritium». Cet inventaire est constitué de tritium extrait de l'eau lourde des réacteurs nucléaires CANDU, situés principalement en Ontario, au Canada, et secondairement en Corée du Sud, avec une future source potentielle de Roumanie. «L'inventaire mondial» d'aujourd'hui est d'environ 25 kilogrammes et n'augmente que d'environ un demi-kilogramme par an, notent Muyi Ni et ses co-auteurs dans leur article de revue de 2013, «Tritium Supply Assessment for ITER», dans Fusion Engineering and Design . L'inventaire devrait culminer avant 2030.

Alors que les fusionneurs parlent allègrement de la fusion du deutérium et du tritium, ils ont en fait terriblement peur d'utiliser le tritium pour deux raisons: Premièrement, il est quelque peu radioactif, il existe donc des problèmes de sécurité liés à son rejet potentiel dans l'environnement. Deuxièmement, la production de matières radioactives est inévitable car les neutrons de fusion DT bombardent la cuve du réacteur, ce qui nécessite un blindage amélioré qui entrave considérablement l'accès pour la maintenance et introduit des problèmes d'élimination des déchets radioactifs.

En 65 ans de recherche impliquant des centaines d'installations, seuls deux systèmes de confinement magnétique ont jamais utilisé du tritium: le réacteur de test de fusion Tokamak dans mon ancien terrain de jeu au laboratoire de physique du plasma de Princeton et le Joint European Tokamak (JET) à Culham, Royaume-Uni, retour dans les années 1990.

Les plans actuels d'ITER prévoient l'acquisition et la consommation d'au moins 1 kilogramme de tritium par an. En supposant que le projet ITER soit en mesure d'acquérir un approvisionnement adéquat en tritium et soit assez courageux pour l'utiliser, 500 MW de puissance de fusion seront-ils réellement réalisés? Personne ne sait.

Le «premier plasma» à ITER est censé avoir lieu en 2025. Cela sera suivi de 10 années relativement modérées d'assemblage de machines et d'opérations périodiques au plasma avec de l'hydrogène et de l'hélium. Ces gaz ne produisent pas de neutrons de fusion, et permettent ainsi la résolution des problèmes d'agitation et l'optimisation des performances du plasma avec des risques de rayonnement minimaux. Les instabilités du plasma doivent être tenues à distance pour assurer un confinement adéquat de l'énergie, de sorte que le plasma réactif puisse être chauffé et maintenu à haute température. Les afflux d'atomes non hydrogéniques doivent être réduits.

Le calendrier d'ITER prévoit l'utilisation du deutérium et du tritium à partir de la fin des années 2030. Mais il n'y a aucune garantie d'atteindre l'objectif de 500 MW; la production d'énergie de fusion en grandes quantités dépend, entre autres, de l'élaboration de la recette optimale d'injection de deutérium et de tritium par granulés congelés, faisceaux de particules, soufflage de gaz et recyclage. Au cours de la phase de démarrage inévitable du début des années 2040, il est probable que la puissance de fusion d'ITER ne représentera qu'une fraction de 500 MW, et que plus de tritium injecté sera perdu par non-récupération que brûlé (c'est-à-dire fusionné avec du deutérium).

Les analyses du fonctionnement DT dans ITER indiquent que seulement 2 pour cent du tritium injecté seront brûlés, donc 98 pour cent du tritium injecté sortira indemne du plasma réactif. Alors qu'une proportion élevée s'écoule simplement avec l'échappement du plasma, une grande partie du tritium doit être continuellement éliminée des surfaces du récipient de réaction, des injecteurs de faisceau, des conduits de pompage et d'autres appendices pour le traitement et la réutilisation. Au cours de leurs plusieurs dizaines de traversées du Tritium Trail of Tears autour des systèmes de plasma, de vide, de retraitement et de ravitaillement, certains atomes de tritium seront emprisonnés en permanence dans la paroi de la cuve et les composants de la cuve, ainsi que dans les systèmes de diagnostic et de chauffage au plasma.

La perméation du tritium à haute température dans de nombreux matériaux n'est pas comprise à ce jour, comme RA Causey et ses co-auteurs l'ont expliqué dans « Barrières de tritium et diffusion du tritium dans les réacteurs de fusion ». La migration plus profonde d'une petite fraction du tritium piégé dans les parois puis dans les canaux de liquide de refroidissement liquide et gazeux sera inévitable. La plupart du tritium implanté finira par se désintégrer, mais il y aura des rejets inévitables dans l'environnement via la circulation de l'eau de refroidissement.

Les concepteurs des futurs réacteurs tokamak supposent généralement que tout le tritium brûlé sera remplacé en absorbant les neutrons de fusion dans le lithium entourant complètement le plasma en réaction. Mais même ce fantasme ignore totalement le tritium qui est définitivement perdu dans son globe terrestre à travers les sous-systèmes de réacteurs. Comme ITER le démontrera, l'agrégat de tritium non récupéré peut rivaliser avec la quantité brûlée et ne peut être remplacé que par l'achat coûteux de tritium produit dans les réacteurs à fission.

Radiations et déchets radioactifs issus de la fusion. Comme indiqué précédemment, les 500 MW de puissance de fusion thermique prévus par ITER ne sont pas de l'énergie électrique. Mais ce que les partisans de la fusion répugnent à vous dire, c'est que cette puissance de fusion n'est pas un rayonnement bénin de type solaire, mais se compose principalement (80%) de flux de neutrons énergétiques dont la seule fonction apparente dans ITER est de produire d'énormes volumes de déchets radioactifs car ils bombarder les parois de la cuve du réacteur et ses composants associés.

Seulement 2% des neutrons seront interceptés par des modules de test pour étudier la production de tritium dans le lithium, mais 98% des flux de neutrons se briseront simplement dans les parois du réacteur ou dans des dispositifs dans les ouvertures des ports.

Dans les réacteurs à fission, au plus 3% de l'énergie de fission apparaît sous forme de neutrons. Mais ITER s'apparente à un appareil électrique qui convertit des centaines de mégawatts d'énergie électrique en flux de neutrons. Une caractéristique particulière des réacteurs à fusion DT est que la prépondérance écrasante de l'énergie thermique n'est pas produite dans le plasma en réaction, mais plutôt à l'intérieur de la cuve du réacteur en acier épais lorsque les flux de neutrons s'y brisent et dissipent progressivement leur énergie. En principe, cette énergie neutronique thermalisée pourrait en quelque sorte être reconvertie en électricité à très faible rendement, mais le projet ITER a choisi d'éviter de relever ce défi. C'est une tâche reportée aux illusions appelées réacteurs de démonstration que les partisans de la fusion espèrent déployer dans la seconde moitié du siècle.

Un inconvénient reconnu depuis longtemps de l'énergie de fusion est l'endommagement par rayonnement neutronique des matériaux exposés, provoquant un gonflement, une fragilisation et une fatigue. En l'occurrence, la durée totale de fonctionnement à des taux de production de neutrons élevés dans ITER sera trop petite pour causer des dommages même mineurs à l'intégrité structurelle, mais les interactions des neutrons continueront de créer une radioactivité dangereuse dans tous les composants exposés du réacteur, produisant finalement 30000 tonnes de radioactif. gaspillage.

Autour du tokamak ITER, un monstrueux cylindre en béton de 3,5 mètres d'épaisseur, 30 mètres de diamètre et 30 mètres de haut appelé le bioshield empêchera les rayons X, gamma et neutrons parasites d'atteindre le monde extérieur . La cuve du réacteur et les composants non structuraux à l'intérieur de la cuve et au-delà jusqu'au bouclier biologique deviendront hautement radioactifs par activation à partir des flux de neutrons. Les temps d'arrêt pour l'entretien et la réparation seront prolongés car toute la maintenance doit être effectuée par un équipement de télémanipulation.

Pour le projet expérimental Joint European Torus, beaucoup plus petit, au Royaume-Uni, le volume de déchets radioactifs est estimé à 3 000 mètres cubes et le coût de démantèlement dépassera 300 millions de dollars, selon le  Financial Times . Ces chiffres seront éclipsés par les 30 000 tonnes de déchets radioactifs d'ITER. Heureusement, la majeure partie de cette radioactivité induite se désintégrera dans des décennies, mais après 100 ans, quelque 6 000 tonnes seront toujours dangereusement radioactives et devront être stockées dans un dépôt, indique la section «Déchets et déclassement» du rapport de conception final d'ITER .

Le transport périodique et l'élimination hors site des composants radioactifs ainsi que le déclassement éventuel de l'ensemble du réacteur sont des tâches à forte intensité énergétique qui élargissent encore le côté négatif du grand livre de comptabilité énergétique.

Monde de l'eau. Des flux d'eau torrentiels seront nécessaires pour évacuer la chaleur de la cuve du réacteur d'ITER, des systèmes de chauffage au plasma, des systèmes électriques tokamak, des réfrigérateurs cryogéniques et des alimentations magnétiques. Y compris la production par fusion, la charge thermique totale pourrait atteindre 1 000 MW, mais même avec une puissance de fusion nulle, l'installation du réacteur consomme jusqu'à 500 MW (e) qui deviennent finalement de la chaleur à évacuer. ITER démontrera que les réacteurs à fusion seraient beaucoup plus consommateurs d'eau que tout autre type de générateur d'électricité, en raison des énormes drains parasites d'énergie qui se transforment en chaleur supplémentaire qui doit être dissipée sur place. (Par «parasite», nous entendons consommer une partie de l'énergie même produite par le réacteur.)

L'eau de refroidissement proviendra du canal de Provence formé par la canalisation de la Durance, et la plupart de la chaleur sera rejetée dans l'atmosphère par des tours de refroidissement. Lors des opérations de fusion, le débit combiné de toute l'eau de refroidissement sera aussi grand que 12 mètres cubes par seconde (180 000 gallons par minute), soit plus du tiers du débit du canal. Ce niveau de débit d'eau peut soutenir une ville d'un million d'habitants. (Mais la demande réelle sur l'eau du canal ne sera qu'une très petite fraction de cette valeur car l'impulsion de puissance d'ITER ne durera que 400 secondes avec au plus 20 impulsions de ce type par jour, et l'eau de refroidissement d'ITER est recirculée.)

Même si ITER ne produit que des neutrons, son débit maximum de liquide de refroidissement sera toujours près de la moitié de celui d'une centrale au charbon ou nucléaire pleinement opérationnelle qui génère 1 000 MW (e) d'électricité. Dans ITER, jusqu'à 56 MW (e) d'énergie électrique seront consommés par les pompes qui font circuler l'eau à travers quelque 36 kilomètres de canalisations de qualité nucléaire.

L'exploitation de toute grande installation de fusion telle qu'ITER n'est possible que dans un endroit comme la région de Cadarache en France, où il y a accès à de nombreux réseaux électriques de haute puissance ainsi qu'à un système d'eau froide à haut débit. Au cours des dernières décennies, la grande abondance des débits d'eau douce et l'eau froide illimitée de l'océan ont permis de mettre en œuvre un grand nombre de centrales thermoélectriques de niveau gigawatt. Compte tenu de la disponibilité décroissante d'eau douce et même d'eau froide de l'océan dans le monde , la difficulté de fournir de l'eau de refroidissement rendrait à elle seule le déploiement à grande échelle des réacteurs à fusion.

L' impact d' ITER . Que ITER fonctionne mal ou bien, son héritage le plus favorable est que, comme la Station spatiale internationale, il aura donné un exemple impressionnant de coopération internationale de plusieurs décennies entre des nations à la fois amicales et semi-hostiles. Les critiques affirment que la collaboration internationale a considérablement amplifié le coût et le calendrier, mais le coût de 20 à 30 milliards de dollars d'ITER n'est pas en décalage avec les coûts d'autres grandes entreprises nucléaires, comme les centrales qui ont été approuvées ces dernières années pour la construction aux États-Unis (Summer et Vogtle) et en Europe de l'Ouest (Hinkley et Flamonville), et le projet de combustible nucléaire américain MOX à Savannah River. Tous ces projets ont connu un triplement des coûts et de la constructionéchelles de temps qui ont augmenté d'années en décennies . Le problème sous-jacent est que toutes les installations d'énergie nucléaire - qu'il s'agisse de fission ou de fusion - sont extraordinairement complexes et d'un coût exorbitant.

Un deuxième rôle inestimable d'ITER sera son influence définitive sur la planification de l'approvisionnement énergétique. En cas de succès, ITER peut permettre aux physiciens d'étudier des plasmas de fusion à haute température et à vie longue. Mais considéré comme un producteur d'énergie prototypique, ITER sera manifestement une source de neutrons dévastatrice alimentée par du tritium produit dans des réacteurs à fission, alimentée par des centaines de mégawatts d'électricité provenant du réseau électrique régional et exigeant des ressources en eau de refroidissement sans précédent. Les dommages causés par les neutrons seront intensifiés tandis que les autres caractéristiques perdureront dans tout réacteur à fusion ultérieur qui tente de générer suffisamment d'électricité pour dépasser tous les puits d'énergie identifiés ici.

Lorsqu'ils sont confrontés à cette réalité, même les planificateurs d'énergie les plus étoilés peuvent abandonner la fusion. Plutôt que d'annoncer l'aube d'une nouvelle ère énergétique, il est probable qu'ITER jouera au contraire un rôle analogue à celui du surgénérateur rapide à fission, dont les inconvénients flagrants ont blessé mortellement une autre source prétendue «d'énergie illimitée» et permis la domination continue de la lumière -réacteurs à eau dans le domaine nucléaire.