Imaginez une ressource si rare que la totalité du stock civil disponible à l’échelle mondiale pourrait tenir dans une simple valise. C’est pourtant cette quantité infime qui se trouve au cœur d’une technologie présentée comme l’une des grandes pistes énergétiques du futur.

Le tritium, isotope radioactif de l’hydrogène, est indispensable à la réaction de fusion que doit étudier ITER, le gigantesque réacteur expérimental construit dans le sud de la France. Or le stock civil mondial ne représente que quelques dizaines de kilogrammes. ITER estime actuellement l’inventaire mondial à environ 20 kg, tandis que d’autres estimations récentes le situent autour de 25 kg.

Et le paradoxe est vertigineux : le projet ITER doit à lui seul consommer environ 14,5 kg de tritium pour atteindre ses objectifs expérimentaux, auxquels s’ajoutent plusieurs kilogrammes nécessaires au fonctionnement de ses systèmes.

Une quantité minuscule à l’échelle industrielle, mais essentielle pour démontrer que la fusion peut fonctionner sur des durées et à des puissances jamais atteintes.

À retenir

• Le stock civil mondial de tritium est estimé à quelques dizaines de kilogrammes seulement ; ITER parle actuellement d’environ 20 kg.
• ITER doit utiliser autour de 14,5 kg de tritium pour atteindre ses objectifs expérimentaux, avec plusieurs kilogrammes supplémentaires présents dans ses systèmes.
• La phase de fusion deutérium-tritium d’ITER doit commencer en 2039, selon la feuille de route actualisée, et non en 2036.
• À plus long terme, les centrales à fusion devront produire elles-mêmes leur tritium grâce à des couvertures contenant du lithium.

Un stock mondial qui se compte en dizaines de kilos

Le tritium n’est pas un combustible que l’on peut simplement extraire d’un gisement. Cet isotope de l’hydrogène est naturellement présent seulement à l’état de traces et se désintègre rapidement : sa période radioactive est d’environ 12,3 ans.

Cette instabilité explique en grande partie sa rareté. Même lorsqu’il est produit, le tritium disparaît progressivement par désintégration radioactive. Le maintenir disponible sur plusieurs décennies impose donc de renouveler régulièrement les stocks.

Pour la fusion, cette particularité pose un problème inédit.

La réaction privilégiée pour les futurs réacteurs associe en effet deux isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. Le premier est relativement abondant et peut notamment être extrait de l’eau. Le second est beaucoup plus difficile à obtenir.

ITER dépendra donc d’un stock mondial extrêmement limité pour mener sa future campagne deutérium-tritium.

Le projet ne consommera cependant pas toute cette ressource d’un seul coup. Le tritium sera injecté dans le plasma, puis une partie du combustible non fusionné sera récupérée et recyclée. Mais une fraction sera nécessairement consommée ou retenue dans les matériaux de la machine.

Les documents techniques d’ITER estiment ainsi à environ 14,5 kg la quantité consommée pour atteindre l’objectif scientifique fixé au projet. Plusieurs kilogrammes supplémentaires doivent par ailleurs être disponibles sur le site pour alimenter correctement le cycle du combustible et tenir compte du tritium retenu dans certains composants.

Autrement dit, ITER ne possède pas simplement besoin de quelques grammes pour réaliser une expérience spectaculaire : son programme repose sur une quantité qui représente une fraction importante du stock civil mondial.

Pourquoi le tritium est-il si difficile à produire ?

Aujourd’hui, une grande partie du tritium disponible dans le monde civil provient des réacteurs nucléaires utilisant de l’eau lourde, notamment les réacteurs de type CANDU.

Dans ces installations, les neutrons produits par la fission peuvent transformer une partie du deutérium présent dans l’eau lourde en tritium. Celui-ci peut ensuite être récupéré à partir de l’eau lourde.

Le problème est que les quantités produites restent modestes, tandis que le tritium continue de disparaître naturellement au fil du temps.

C’est donc une ressource qui fonctionne à l’envers d’une matière première classique : on ne dispose pas d’un énorme stock souterrain que l’on pourrait exploiter progressivement. Il faut constamment produire, récupérer, stocker et recycler un isotope qui se désintègre en permanence.

Cette contrainte devient particulièrement importante lorsqu’on envisage de passer d’une machine expérimentale à une véritable industrie.

ITER est justement conçu pour franchir une partie de cette étape. Mais son objectif n’est pas encore de produire lui-même tout le tritium dont il aura besoin.

Le calendrier actuel prévoit d’abord les premières phases d’exploitation scientifique, puis les opérations deutérium-tritium. La feuille de route actualisée prévoit d’atteindre la pleine énergie magnétique en 2036, avant le début de la phase deutérium-tritium en 2039.

Ce décalage est important : 2036 correspond à un jalon majeur de la machine, mais ce n’est pas le début de son exploitation avec le tritium.

ITER va utiliser une grande partie de cette ressource

C’est ici que le paradoxe devient particulièrement frappant.

ITER est une machine expérimentale gigantesque destinée à démontrer qu’un plasma de fusion peut produire une quantité de puissance thermique très supérieure à celle utilisée pour le chauffer. Son objectif emblématique est d’atteindre environ 500 MW de puissance de fusion pour 50 MW de chauffage injecté, soit un facteur de gain Q d’au moins 10 dans les conditions visées.

Mais pour obtenir cette fusion, il faut du tritium.

Les estimations techniques d’ITER évaluent à environ 14,5 kg le tritium consommé pour atteindre l’objectif de fluence neutronique fixé au programme. Le projet devra également conserver plusieurs kilogrammes dans son cycle du combustible.

Cette consommation représente une contrainte majeure parce que le stock mondial est extrêmement réduit.

Et le problème ne ferait que s’amplifier si la fusion devenait une technologie industrielle. Une future centrale ne pourrait évidemment pas dépendre indéfiniment de quelques dizaines de kilogrammes accumulés dans des installations nucléaires existantes.

Elle devrait donc être capable de produire son propre carburant.

C’est précisément pour cette raison qu’ITER ne se contente pas d’étudier le plasma. La machine doit également tester des technologies capables de produire du tritium directement autour du plasma.

La véritable solution devra venir du lithium

La solution imaginée par les chercheurs paraît presque circulaire : utiliser les neutrons produits par la fusion pour fabriquer le tritium nécessaire à la fusion suivante.

Dans une réaction deutérium-tritium, le plasma produit notamment des neutrons très énergétiques. Contrairement aux particules chargées du plasma, ces neutrons ne sont pas confinés par les champs magnétiques et viennent frapper les matériaux qui entourent la chambre à vide.

Si ces parois contiennent du lithium, une réaction nucléaire peut transformer une partie de ce lithium en tritium et en hélium.

Le tritium ainsi produit pourrait ensuite être extrait, traité et réinjecté dans le plasma. C’est ce que les spécialistes appellent le « breeding » du tritium, ou production tritigène.

ITER va tester cette idée avec plusieurs modules expérimentaux contenant du lithium. L’objectif n’est pas de rendre ITER autonome en tritium : la machine ne produira pas suffisamment de tritium pour couvrir sa propre consommation. Elle doit surtout permettre de tester les technologies nécessaires aux futurs réacteurs.

Et cette étape est déterminante.

Une centrale à fusion commerciale devra, à terme, produire suffisamment de tritium pour remplacer celui qu’elle consomme et maintenir son propre cycle du combustible. Sans cette capacité, la fusion resterait dépendante d’un stock extérieur beaucoup trop limité pour alimenter une flotte mondiale de réacteurs.

Le véritable défi de la fusion n’est donc pas uniquement de parvenir à maintenir un plasma extrêmement chaud. Il faut également résoudre une équation beaucoup plus discrète : comment fabriquer en continu le combustible radioactif nécessaire à la machine ?

ITER doit apporter une partie de la réponse.

La situation résume à elle seule le paradoxe de la fusion nucléaire. L’hydrogène nécessaire à la réaction paraît abondant, mais l’un de ses deux isotopes clés est aujourd’hui disponible en quantités infimes. Quelques dizaines de kilogrammes de tritium circulent dans le monde civil, alors qu’une future industrie de la fusion devrait en avoir besoin à une échelle totalement différente.

La réussite d’ITER ne dépendra donc pas seulement de la capacité à faire fonctionner un plasma de fusion. Elle devra aussi permettre de démontrer qu’un futur réacteur peut apprendre à fabriquer son propre carburant.

C’est probablement là que se jouera une partie de la véritable promesse industrielle de la fusion.

Source : ITER