Fusion thermonucléaire : fondamentaux, réalisations et perspectives

Tous les scénarios de développements économiques à long terme prédisent un doublement, au moins, de la consommation énergétique mondiale vers la fin de ce siècle. La consommation actuelle est de l'ordre de 10²⁰ joules par an et, compte tenu de l'impact de l'utilisation de combustibles fossiles sur notre environnement, la fusion thermonucléaire constitue l'unique voie de développement permettant de faire face à ce doublement de la demande énergétique, tout en offrant une perspective à très long terme (> 10³ ans), exempte des problèmes de prolifération, d'emballement et de déchets à haute activité.

En termes de densité spécifique d'énergie (J/kg) l'énergie thermonucléaire offre une densité un million de fois plus élevée que l'énergie chimique. Un système de conversion d'énergie fondé sur la combustion thermonucléaire de deutérium (D) et tritium (T), les isotopes de l'hydrogène, suivant la réaction exothermique : D + T → α (alpha) + n (neutron), génère des déchets radioactifs de faible activité et ne présente aucun risque d'emballement.

Le deutérium se trouve en quantité abondante dans l'eau, dans une proportion de 1/6 700 par rapport à l'hydrogène ; la masse des océans étant de l'ordre de 10²¹ kg les réserves énergétiques potentielles de deutérium terrestre sont donc de l'ordre de 10¹¹ années sur la base de la consommation actuelle d'énergie.

Cette estimation optimiste doit être révisée car le tritium est instable et sa demi-vie est de 12,3 années ; il n'existe donc pas à l'état naturel et doit être produit dans la couverture du réacteur en utilisant le flux neutronique des réactions de fusion D + T → α + n. Le lithium (Li) présente deux réactions neutroniques permettant la régénération du tritium. Avec l'isotope léger ⁶Li, la réaction n + ⁶Li → α + T est exothermique et présente une réactivité importante avec les neutrons thermiques. Le lithium se trouve en quantité abondante dans la croûte terrestre ; les abondances naturelles des isotopes léger et lourd sont respectivement 7,4 % de ⁶Li pour 92,6 % de ⁷Li. Des études théoriques de neutronique conduisent à évaluer à 95 % la fraction de l'énergie des neutrons qui pourra être déposée dans une couverture tritigène d'une épaisseur de l'ordre du mètre. Pour l'abondance naturelle du lithium, les réserves énergétiques potentielles se situent entre 10⁴ et 10⁷ ans, l'estimation basse étant restreinte aux ressources continentales et l'estimation haute prenant en compte l'exploitation des réserves océaniques.

Pour un réacteur électrogène à fusion offrant une puissance de 1 GW électrique, typique des réacteurs à fission actuels, les besoins annuels sont donc : 123 kg de deutérium + 184 kg de tritium qui, en fusionnant donnent 490 kg d'hélium. Le deutérium peut être extrait de 3,7 t d'eau naturelle. Une masse de 368 kg de ⁶Li présents dans 5 000 t de minerai de lithium naturel serait nécessaire.