ITER : comment reconstituer une étoile en laboratoire

Mercredi 7 novembre, entre deux réunions avec les responsables syndicaux des facs en grève, Valérie Pécresse, ministre de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche, s'est offert une pause méditerranéenne en descendant jusqu'au site du CEA (Commissariat à l'Energie Atomique) de Cadarache, près d'Aix-en-Provence. Elle y a signé un tout dernier accord, celui qui officialise l'installation du projet ITER en France et autorise les premiers coups de pelleteuse de son chantier de construction.

ITER (abréviation anglaise de Réacteur Expérimental Thermonucléaire International) est un projet planétaire co-dirigé par la France et le Japon et dont le coût est souvent qualifié de « pharaonique » puisqu'il représente un tas de billets haut comme 13 fois la pyramide de Kheops. En billets de 500. Le but du projet est de vérifier que l'homme moderne est capable de déclencher une réaction de fusion nucléaire, et surtout qu'il peut la maintenir pendant un temps suffisamment long et dans un réacteur suffisamment grand pour produire de l'électricité.

Chez ITER, on reste cependant modeste : les savants se fixent comme objectif une réaction qui tienne la route pendant… 6 minutes et demi. Tout un pataquès, donc, pour (peut-être) 400 secondes de bonheur, 400 secondes d'une victoire révolutionnaire sur la matière.

Des noyaux trop peuplés à l'origine de la radioactivité

Toute la matière connue de notre univers est constituée d'atomes, des éléments minuscules dont le diamètre est de l'ordre du dix milliardième de mètre. Parmi les atomes les plus célèbres, citons le carbone, le fer, l'oxygène, l'uranium ou l'or. Chaque atome est lui-même formé d'un noyau central autour duquel gravitent des petites particules appelées électrons, comme des moustiques autour d'une lampe par une moite soirée de juillet. Et en plongeant tête la première dans un noyau vous aurez l'occasion d'y apercevoir deux autres sortes de particules : des protons et des neutrons.

Les électrons et les protons sont électriquement chargés, l'électron est « moins » tandis que le proton est « plus ». Un atome moyen possède les trois particules en quantités égales ; il est donc totalement symétrique et neutre (autant de « plus » que de « moins »). Le carbone, par exemple, est formé d'un noyau de 6 protons et 6 neutrons autour duquel virevoltent allègrement 6 électrons. Or 6 protons + 6 neutrons font un noyau de 12 particules au total : l'élément est appelé carbone 12 (noté C12).

Mais la matière aime la diversité, sinon elle s'ennuie. Pour ajouter un peu de piment à son existence, elle a décidé que les noyaux ne disposeraient pas toujours d'autant de neutrons que de protons. Le noyau de carbone peut ainsi renfermer 6, 7 ou même, soyons fous, 8 neutrons. Dans ce dernier cas, 6 protons + 8 neutrons font 14 particules… et on l'appelle le carbone 14 (C14). Les scientifiques nomment ce genre d'atomes des isotopes. Le C14, comme le C13 et le C12, sont trois isotopes du carbone : toujours 6 protons, mais un nombre variable de neutrons.

Si les isotopes C12 et C13 sont parfaitement stables, en revanche le C14 est un peu moins net : trop de neutrons par rapport aux protons. Torturé par sa grande dissymétrie, ce noyau peut décider au hasard, quand l'idée lui vient, de se secouer un petit coup pour libérer les particules qui l'encombrent. Un tel soubresaut atomique, avec libération de quelques particules(au maximum, 2 protons et 2 neutrons) est appelé « désintégration radioactive ». Le C14 n'est d'ailleurs pas le seul à subir le phénomène : tous les atomes ont des isotopes radioactifs.

La fission de l'uranium, des conséquences dures à avaler

La fission nucléaire est un autre phénomène radioactif, exceptionnel celui-ci puisqu'il ne touche qu'un seul élément naturel : l'uranium, qui est aussi le plus gros atome connu sur Terre. L'éléphant des atomes, dont le noyau peut contenir jusqu'à 240 particules : 92 protons + 135 à 148 neutrons ! Avec une telle masse à supporter, et une telle instabilité permanente, l'uranium est si fragile qu'il peut se casser en deux morceaux quand on le titille un peu fort. Par exemple, un noyau d'uranium contenant 235 particules (92 protons + 143 neutrons) et qui reçoit un neutron sur le coin du pif éclate en deux petits noyaux : le xénon 140 (54 protons + 86 neutrons) et le strontium 94 (38 protons + 56 neutrons).

Vous allez me dire, car vous avez fait vos calculs, qu'un uranium 235 avec son neutron en plus, ça fait 236 particules, et que la somme de celles contenues dans les deux produits ne fait que 234. Il manque donc 2 neutrons ! Et vous avez raison : la réaction de fission de l'uranium 235 bombardé par un neutron libère 2 nouveaux neutrons. Avec en prime de la chaleur, beaucoup de chaleur.

Ces deux produits de la réaction sont d'ailleurs exploités par l'homme dans les centrales nucléaires : on bombarde des noyaux d'uranium avec quelques neutrons, et les neutrons libérés lors de la fission percutent d'autres noyaux d'uranium, qui vont à leur tour échapper des neutrons, etc. La réaction finit par s'alimenter toute seule. Quant à la chaleur libérée, elle permet de faire bouillir de l'eau dont la vapeur entraîne un peu plus loin une grosse turbine, qui réagit tout de suite en fournissant de l'électricité. Merveilleux, non ? Eh bien non. Car si la réaction en chaîne de production de neutrons est mal contrôlée, tout s'emballe et le combustible d'uranium finit par vous sauter à la truffe. C'est le principe de fonctionnement d'une bombe atomique. L'uranium est lui-même un produit hautement radioactif et dont les stocks mondiaux sont assez limités. Et ne parlons pas des résidus de la fission, xénon, strontium, baryum, césium et autre plutonium qui sont aussi inoffensifs qu'une meute de lapins dans un champ de carottes.

La fusion, solution miracle ?

Pour palier ces inconvénients de la fission nucléaire, les scientifiques sont à l'affût de sources d'énergie « propres », renouvelables et peu dangereuses. Tel est l'objectif des recherches menées sur la fusion nucléaire, qui est l'exact inverse de la fission : il s'agit maintenant de rassembler deux noyaux en un seul. Le processus est diablement intéressant car il dégage une énorme quantité d'énergie. Pensez, ce sont des réactions de fusion qui sont à l'origine de la chaleur dégagée par les étoiles ! Le problème, c'est que pour faire fusionner deux noyaux il faut se lever de bonne heure. Je vous disais tout à l'heure que les protons du noyau étaient chargés électriquement (plus). Par conséquent, si on rapproche deux noyaux les charges « plus » se retrouvent face à face, et réagissent comme deux pôles nord d'un aimant : elles se repoussent violemment. La seule solution pour les accoupler malgré leurs réticences est de les chauffer à mort. L'expression « à mort » est à peine exagérée, puisque la fusion des noyaux nécessite des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés.

Et encore. Avec une telle température, une étoile parvient tout juste à faire fusionner des tout petits noyaux, tous isotopes de l'hydrogène dont le noyau de base ne contient qu'un proton et aucun neutron. Par exemple, un noyau de deutérium (1 proton + 1 neutron) fusionne avec un noyau de tritium (1 proton + 2 neutrons) pour former un noyau d'hélium (2 protons + 2 neutrons), en libérant un neutron et une bonne quantité d'énergie, bien plus grande que celle libérée par la fission : si 1 gramme d'uranium fournit autant d'énergie que 2 tonnes de pétrole, 1 g de combustible de fusion, lui, fournit l'équivalent de 10 tonnes de pétrole ! Le jeu en vaut donc la chandelle.

Mais il faut une grosse chandelle, pour chauffer autant qu'une étoile. Jusqu'à présent, les savants n'ont pu faire mieux que de maintenir ces températures astronomiques pendant quelques dizaines de seconde. Les premiers succès sont l'œuvre des soviétiques, inventeurs d'un réacteur de fusion nucléaire appelé Tokamak qui leur a offert, en 1968, la bagatelle de 10 millions de degrés. Aujourd'hui, l'objectif est de chauffer plus fort, plus longtemps, et pour dégager un maximum d'énergie. L'homme veut vérifier s'il est capable de faire briller une mini-étoile sur Terre, pendant au moins quelques minutes. Si ça marche, on pourra envisager d'utiliser un jour la fusion nucléaire pour produire de l'électricité sans pétrole, qui devient franchement hors de prix, ni uranium, pas franchement idéal.

D'ailleurs, la fusion nucléaire évite, paraît-il, la plupart des inconvénients de la fission : du combustible en veux-tu en voilà (la Terre porte des milliards de tonnes d'hydrogène, et on pourra bientôt en produire à peu de frais), un minimum de radioactivité, et quasiment aucun déchet dangereux. Bien entendu, elle a ses petits inconvénients, dont le premier est qu'on n'est pas sûrs qu'elle soit faisable ! Car même avec 400 secondes de fusion à fond la caisse, on n'aura toujours pas assez d'électricité pour alimenter le TGV entre Paris et Bordeaux. Déjà que, cette semaine, il n'a plus de chauffeur…

Mise à jour, 20/11/07 : modification du paragraphe commençant par « Si les isotopes C12 et C13 ».