Le tokamak, une technologie supraconductrice, accélère la commercialisation de l'énergie de fusion nucléaire. Mais pourrait-il être la solution à nos problèmes de pollution ?
La production d'électricité à partir de combustibles fossiles a été critiquée pour ses émissions excessives de dioxyde de carbone, responsables de l'effet de serre et de l'accélération du réchauffement climatique. Pour y remédier, des sources d'énergie renouvelables non polluantes sont activement recherchées. L'une de ces sources est la fusion nucléaire. La fusion nucléaire se produit lorsque deux ou plusieurs noyaux atomiques s'unissent pour créer un nouveau noyau. Ce processus libère une grande quantité d'énergie par perte de masse, appelée « énergie de fusion ».
Le soleil est un parfait exemple de source utilisant ce processus pour produire d'énormes quantités d'énergie. Il utilise des températures et des pressions élevées pour créer de l'énergie par fusion de noyaux d'hydrogène. Cette énergie est si importante qu'elle suffit à alimenter la photosynthèse des plantes et à maintenir au chaud de nombreux êtres vivants sur Terre. Cette merveille naturelle a inspiré l'humanité, et nous avons travaillé dur pour reproduire cette même source d'énergie sur Terre.
L'utilisation de l'énergie de fusion nucléaire nécessite des conditions de température et de pression extrêmement élevées. Pour remplir ces conditions, des réacteurs et des technologies spécifiques sont nécessaires. On pourrait facilement l'imaginer comme un réacteur pour un « soleil artificiel ». Les scientifiques ont donc développé un nouveau type de réacteur appelé tokamak.
À première vue, le tokamak ressemble à un donut, mais à l'intérieur, des atomes d'hydrogène subissent une réaction de fusion nucléaire pour créer un soleil artificiel. Sa forme en donut cache le maintien des conditions de température et de pression ultra-élevées qui le créent. Le tokamak est doté de fils spiralés qui entourent le donut. Lorsqu'on applique de l'électricité à ces fils, un champ magnétique se forme à l'intérieur de la spirale – la forme du tokamak – ce qui augmente la température et la pression à l'intérieur du tokamak et emprisonne le soleil artificiel dans le champ magnétique. Cependant, il est impossible de créer des températures et des pressions ultra-élevées avec des fils ordinaires, comme un simple fil de cuivre, car la résistance du fil lui-même et la chaleur qu'il génère rendraient le tokamak incapable de fonctionner en cas de flux électrique excessif. Pour compenser cela, il est nécessaire d'utiliser des fils fabriqués dans un matériau spécial, sans résistance et donc sans génération de chaleur. C'est la clé du tokamak.
Existe-t-il des matériaux sans résistance ? Oui, ils existent. Bien sûr, seulement dans des conditions particulières, mais il existe des matériaux à résistance nulle : les « supraconducteurs ». Un supraconducteur est un matériau dont la résistance chute à zéro à très basse température, par exemple à des températures cryogéniques. Pour utiliser des fils supraconducteurs, Tokamak fait circuler de l'hélium liquide, à -269 °C, autour des fils. Cet hélium liquide a pour fonction de maintenir la température du supraconducteur à des températures cryogéniques.
Alors pourquoi un supraconducteur a-t-il une résistance nulle à des températures cryogéniques ? La raison est que lorsque la température descend en dessous d'un certain point, les électrons s'apparient et présentent un comportement inédit à température ambiante. Ce point est appelé « température critique » et les paires sont appelées « paires de Cooper ». Électriquement, lorsqu'un électron chargé négativement traverse un réseau d'électrons chargés positivement, l'attraction électrostatique provoque une légère inclinaison du réseau dans la direction de la trajectoire de l'électron. L'électron suivant sera davantage affecté par la charge positive que l'électron précédent. Dans ce processus, deux électrons forment une paire.
Lorsque deux électrons forment une paire de Cooper et se comportent comme une seule particule, ils deviennent « orientés ». Auparavant, les électrons individuels étaient « symétriques » plutôt que « directionnels » car ils se déplaçaient tous dans des directions différentes. Mais après avoir formé une paire de Cooper, toutes les paires de Cooper ont tendance à vouloir circuler dans la même direction, de sorte que tous les électrons se comportent comme s'ils formaient une seule masse. Ces mêmes paires de Cooper orientées continuent de circuler même en cas d'obstacle, ce qui élimine totalement la résistance électrique. De ce fait, à des températures inférieures à une température critique, la résistance est éliminée, permettant ainsi une circulation électrique plus intense.
Jusqu'à présent, nous avons vu que les supraconducteurs sont un élément clé de l'énergie de fusion nucléaire. D'ici quelques décennies, lorsque des supraconducteurs à températures critiques plus élevées seront développés et que la technologie des supraconducteurs progressera, l'énergie de fusion nucléaire sera commercialisée et les populations du monde entier pourront profiter des avantages d'une énergie propre et renouvelable sans polluer l'environnement. Plusieurs projets de recherche en cours jouent également un rôle important dans la concrétisation de cette vision. Ces avancées technologiques ouvriront la voie à un environnement meilleur et à une énergie durable pour les générations futures.
