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La fusion nucléaire

Comment est née l'idée d'utiliser la fusion pour produire de l'électricité ?


​De la mesure du "défaut de masse" de l'hélium par le physicien Aston, dans les années 20, aux études sur les tokamaks en passant par les premiers fours à fusion, petit historique des recherches sur la fusion nucléaire.

Publié le 4 août 2015

La fusion est l’énergie du soleil (1920 - 1938)

Les prémices des recherches sur l'énergie de fusion peuvent être datées des années 1920. A cette époque, le physicien Aston mesure le "défaut de masse" de l'hélium, c'est à dire la possibilité de récupérer une importante quantité d'énergie en fabriquant un noyau d'hélium à partir d'éléments plus légers. A la suite de cette découverte, l'astronome anglais Eddington suggère que l'énergie des étoiles est d'origine "sub-atomique", et rêve que "l'Homme apprendra un jour à libérer cette énergie et à l'utiliser à ses propres fins".


Premiers fours à fusion (1930-40)

Des expériences sont initiées aux Etats-Unis dès 1938 pour tenter de confiner un plasma chaud avec des champs magnétiques. Peu de temps après la Seconde Guerre Mondiale, un engouement international pour la fusion thermonucléaire contrôlée voit le jour. Notamment au Royaume-Uni, avec un brevet de réacteur à fusion déposé en 1946 par Thomson et Blackman, de l'Université de Londres. Bien que le dimensionnement de ce dispositif ait été exagérément optimiste, celui-ci met déjà en œuvre une chambre à vide de forme torique et de génération non inductive de courant par ondes radio-fréquence, deux aspects importants que l'on retrouve sur les machines actuelles.


Une recherche mise au secret (années 50)

Les expériences se succèdent et les premiers réacteurs apparaissent dans les années 1950. Dans le contexte de la guerre froide, la fusion est mise sous le sceau du secret. Américains, Russes, Anglais, rejoints en 1955 par la France, l'Allemagne, et le Japon, intensifient leurs recherches sans communiquer entre eux ni publier.


Les tokamaks (années 60 - 70)

VidéoComment est née l'idée d'utiliser la fusion pour produire de l'électricité ?

L'année 1958 marque un tournant important dans l'histoire de la fusion contrôlée, avec la déclassification des recherches. A la conférence "Atomes pour la paix" de Genève, les différents pays dévoilent les configurations magnétiques sur lesquelles ils travaillent : décharges toroïdales, stellarators, machines à miroir, Z et theta-pinches. Les bases du confinement magnétiques étaient établies. Les physiciens commencent également à prendre conscience du fait que maîtriser la fusion ne serait pas une chose facile, en raison des instabilités du plasma, des pertes dans les configurations magnétiques...

Ainsi, afin de se donner les moyens de relever les considérables défis scientifiques et technologiques posés par la maîtrise de l'énergie de fusion, des collaborations sont organisées a l'échelle internationale. Au niveau européen, des associations sont créées entre l'agence atomique européenne EURATOM et les organismes de recherche des pays membres, afin de coordonner leurs efforts. L'association EURATOM-CEA, créée en 1959, est la première d'entre elles.

Les Russes sont en tête dans la compétition des équipes de recherche. En 1968, ils conçoivent des machines, qui deviendront des références dans le domaine, du fait de leurs performances nettement supérieures à celles des autres systèmes : les tokamaks. Le terme russe Tokamak est l’acronyme de « Toroidalnaya Kamera Magnitnymi Katushkami » qui signifie « chambre toroïdale avec des bobines magnétiques ». Ce terme est désormais utilisé par toute la communauté internationale de la recherche sur la fusion.

Le Tokamak français TFR est la machine la plus performante au monde de 1973 à 1976 en atteignant des températures record de 20 millions de degrés. Des résultats importants sur le confinement et le chauffage du plasma sont établis sur cette installation.


Une compétition internationale (années 80)

Les projets de fabrication de la plupart des grands tokamaks modernes : Jet (Union Européenne, en Grande Bretagne), JT60 (au Japon), TFTR (aux Etats-Unis) sont lancés au milieu des années 1970, à la faveur à la fois de résultats scientifiques très encourageants et d'une augmentation importante des budgets attribués à la recherche sur la fusion contrôlée.

La France, après avoir fait entrer l'Europe dans l'ère des tokamaks avec la machine TFR, prépare dès les années 1980 la technologie et la physique du fonctionnement continu pour les réacteurs à fusion, avec la construction d'un grand tokamak à aimant toroïdal supraconducteur, Tore Supra, qui entre en service en 1988.


Une collaboration internationale (Aujourd’hui)

On ne sait pas aujourd'hui récupérer suffisamment d'énergie des réactions de fusion pour produire de l'électricité en grande quantité. Le projet Iter vise à produire une puissance de fusion 10 fois supérieure à la puissance injectée dans le plasma pour le chauffer. Grâce au projet Iter et grâce aux connaissances internationales déjà acquises dans le domaine, les physiciens comptent bien démontrer que l’étape suivante pourra produire en continu 20 à 40 fois plus d'énergie qu'elle n'en consomme. Cette rentabilité est en effet indispensable à atteindre pour qu’une usine électrique à fusion soit économiquement viable.


La production industrielle (Seconde moitié du XXIe siècle)

La première génération de réacteurs à fusion produisant de l’électricité à l’échelle industrielle devrait voir le jour au cours de la seconde moitié de notre siècle.