2022 constitue sans nul doute une année charnière pour la fusion nucléaire. Le 13 décembre dernier, la communauté scientifique œuvrant dans ce domaine était en ébullition. Et pour cause, les Etats-Unis ont fait savoir que le Laboratoire national Lawrence Livermore (LNLL) était parvenu à produire plus d'énergie pendant une réaction de fusion nucléaire qu'il n'en avait été nécessaire pour initier le processus, du moins au niveau du combustible. « Un seuil que l'on attend depuis des décennies. Grand pas pour la fusion, petit pas pour l'énergie », commentait alors sur Twitter Greg de Temmerman, directeur général du think tank Zenon et spécialiste français de la fusion nucléaire.
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Depuis les années 1930, les scientifiques tentent en effet de reproduire, sur Terre, le mécanisme à l'œuvre dans le soleil et les étoiles. Contrairement à la fission nucléaire, sur laquelle repose toutes les centrales nucléaires en fonctionnement dans le monde, la fusion nucléaire ne consiste pas à casser des noyaux lourds d'uranium pour libérer de l'énergie, mais à faire fusionner deux noyaux d'hydrogène extrêmement légers pour créer un élément plus lourd. Dans le détail, le mariage forcé du deutérium et du tritium permet de produire de l'hélium et un neutron. Cette réaction doit alors permettre de générer des quantités massives d'énergie sous forme de chaleur, qui peut ensuite être transformée en électricité grâce à une turbine.
La fusion nucléaire suscite d'immenses espoirs car si l'homme savait la contrôler, cette source d'énergie cocherait toutes les cases : l'électricité qu'elle pourrait délivrer serait quasi illimitée, décarbonée, sûre, et produirait très peu de déchets radioactifs à vie longue. Mais jusqu'au 13 décembre dernier, les scientifiques butaient sur une étape majeure : celle du breakeven, soit le seuil où l'énergie produite par la réaction de la fusion est supérieure à celle nécessaire pour faire fonctionner le système. C'est désormais chose faite.
La fusion sort des laboratoires
Si cette percée est la plus retentissante, d'autres grandes avancées ont été observées au cours de la même année. Quelques mois auparavant, ce même laboratoire californien est parvenu à contrôler un plasma brûlant, le plasma étant le quatrième état de la matière (après les états solide, liquide et gazeux) dans lequel peuvent justement se rencontrer les deux noyaux d'hydrogène. En 2022, des quantités records d'énergie ont été produites par JET, une machine de recherche basée à Oxford, au Royaume-Uni. Les installations Kstar et East, implantées respectivement en Corée du Sud et en Chine, sont quant à elles parvenues à confiner le plasma sur des durées et des températures records.
Mais l'année 2022 c'est aussi l'année où « la fusion est sortie des laboratoires pour aller sur le marché », souligne Andrew Holland à la tête de la Fusion industry association (FIA). Dans son dernier rapport annuel, l'organisation dénombre 33 entreprises privées actives dans ce domaine à travers le monde. Parmi elles, 21 se sont créées au cours des cinq dernières années. On peut les ranger dans trois grandes familles. Celles qui planchent sur la fusion par confinement magnétique et qui s'appuient sur des aimants supraconducteurs pour maintenir le plasma. Celles qui travaillent sur la fusion inertielle en ayant recours à des lasers. Et celles, à l'image de General Fusion, qui entendent combiner ces deux approches.
En 2022, ces entreprises ont levé 2,8 milliards de dollars, contre près de 2 milliards de dollars un an plus tôt. Au total, depuis leur création, elles ont réuni un peu plus 4,8 milliards de dollars, principalement auprès d'investisseurs privés, (seuls 117 millions de dollars proviennent de subventions publiques). Parmi eux, on retrouve les grands fonds de capital-risque et des personnalités et des entreprises de la tech comme Bill Gates, Jeff Bezos (Amazon) ou encore Google et le groupe chinois Tencent, mais aussi une poignée d'industriels, dont l'énergéticien italien Eni, le norvégien Equinor, et les majors Chevron et Shell.
Commonwealth Fusion Systems, un spin off du MIT, représente à elle seule plus d'un tiers de ces investissements. Née en 2018, l'entreprise a bouclé un tour de table XXL de 1,8 milliard de dollars. Elle promet de commercialiser la première centrale à fusion à l'horizon 2030. Helion Energy, une autre entreprise américaine qui s'est spécialisée dans la fusion inertielle, a, elle, levé 500 millions de dollars et assure avoir déjà sécurisé un financement à venir de 1,7 milliard de dollars. Au total, sept entreprises ont déjà réuni plus de 200 millions de dollars d'investissements.
21 startups aux Etats-Unis
Comment expliquer cet engouement de la sphère privée pour la fusion ?
« Ce n'est pas quelque chose de nouveau. La première initiative privée remonte à 1998 avec TAE Technologies, mais le nombre de start-up a nettement augmenté à partir des années 2014-2015. A ce moment-là, Bernard Bigot, [alors à la tête du gigantesque programme scientifique international Iter, censé démontrer la viabilité de la fusion nucléaire à grande échelle, ndlr] annonce cinq années de retard sur le projet. Iter est en construction et permet à la communauté scientifique d'apprendre énormément, mais cela ne va pas assez vite. Cela a généré une frustration qui a poussé des scientifiques à entreprendre », se remémore Greg de Temmerman, coordinateur scientifique sur le projet Iter entre 2014 et 2020.
Par ailleurs, jusqu'à l'année dernière, les capitaux étaient largement disponibles tandis que les taux d'intérêt étaient à leur plus bas. Des conditions de marché qui ont conduit les investisseurs à aller chercher des investissements plus risqués afin d'obtenir des rendements plus élevés. « Or la fusion est un investissement à haut risque et à haut potentiel. C'est un investissement qui peut mener nulle part, mais si cela fonctionne l'investisseur fait fortune », souligne Greg de Temmerman. La fusion reste enfin l'un des grands défis techniques et scientifiques à résoudre. De quoi attirer des personnalités fortunées avides de ce genre de challenge.
Aujourd'hui, les Etats-Unis dominent incontestablement cette course mondiale, avec 21 entreprises basées sur son sol, tandis que seules trois sont installées en Europe continentale (Renaissance Fusion en France, Deutelio en Italie et Marvel Fusion en Allemagne) et trois autres au Royaume-Uni (Crossfield Fusion, First Light Fusion et Tokamak Energy).
L'Europe à la pointe de la recherche
Pourtant, c'est bien le Vieux Continent qui est le leader mondial de la recherche en fusion. L'Allemagne, qui a décidé de tourner le dos à la fission nucléaire, compte le plus grand nombre de chercheurs en la matière. « Les scientifiques sont parvenus à démontrer que ce n'était pas le même nucléaire, que la fusion ne présentait pas les mêmes problématiques en matière de sûreté et de déchets et qu'il fallait continuer », explique Greg de Temmerman.
En France, l'Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique (IRFM) du CEA, qui jouxte le chantier d'Iter à Cadarache dans les Bouches du Rhône, est mondialement reconnu. Dès 1959, le centre de recherche a participé à la réalisation de plusieurs tokamaks expérimentaux, ces structures dans lesquelles sont confinées les plasmas. Il espère désormais développer une centrale à fusion nucléaire plus compacte que le réacteur Iter.
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Le Royaume-Uni, « qui est le plus gros promoteur de la fusion nucléaire en Europe », selon les propos de Jérôme Bucalossi, à la tête de l'IRFM du CEA, s'est déjà engagé dans cette voie. « Son programme STEP vise à développer un réacteur à fusion connecté au réseau électrique avant 2040 », précise-t-il. Un dynamisme qui a permis d'attirer la start-up canadienne General Fusion, soutenue par Jeff Bezos. Fondée en 2002, l'entreprise a choisi de construire sa première centrale nucléaire pilote à Culham, un petit village de l'Oxfordshire.
Malgré cet indéniable atout académique du côté européen, les entreprises américaines pourraient creuser davantage l'écart avec le reste du monde dans les mois à venir grâce à un soutien public qui se muscle. Le département de l'énergie américain a récemment débloqué 50 millions de dollars pour favoriser les partenariats publics-privés et accélérer le développement de réacteurs à fusion. Une enveloppe qui vient s'ajouter à l'Inflation Reduction Act, le vaste plan de réforme défendu par l'administration Biden, qui prévoit quelque 370 milliards de dollars pour décarboner l'économie américaine. De quoi accélérer considérablement le financement des projets liés à la fusion.
La fusion ne contribuera pas à la transition énergétique
Car les acteurs de la fusion sont également portés par l'urgence climatique, la nécessaire électrification des usages ainsi que la flambée des prix de l'électricité. Nombre de ces startups promettent ainsi une première centrale à fusion connectée au réseau électrique avant 2035 et présentent cette technologie comme un moyen efficace de lutter contre le changement climatique. Une communication qui « agace » Greg de Temmerman. « Un réacteur à fusion nucléaire qui fonctionne 24 heures sur 24 de façon fiable dans les années 2030, c'est hors d'atteinte, tranche-t-il. En revanche, si on parle d'un démonstrateur capable de générer de l'électricité cela peut arriver dans la décennie 2030 », reconnaît-il
Plus globalement, le spécialiste estime que la fusion « ne représentera rien pour l'énergie en 2050. Elle ne contribuera pas à la transition énergétique ». Il juge néanmoins que la fusion, comme source d'énergie pilotable et décarbonée, restera utile pour l'après 2050 et que son financement ne compromet pas, en parallèle, la décarbonation de l'économie.
En revanche, des applications en dehors du secteur de l'énergie pourraient voir le jour bien plus tôt. A Grenoble, la start-up Renaissance Fusion entend notamment commercialiser des briques technologiques issues de son activité pour l'imagerie médicale, les éoliennes ou encore les accélérateurs de particules.
Des verrous technologiques à lever
Si Greg de Temmerman se montre si prudent sur les calendriers partagés par ces startups c'est que les verrous technologiques à lever restent encore nombreux. D'abord, un réacteur à fusion devra être capable de produire son propre combustible. « On estime que les réserves de tritium sur Terre ne s'élèvent qu'à 35 kilos. Or, pour fonctionner un réacteur à fusion nucléaire aurait besoin d'une centaine de kilos de tritium par an. Le seul moyen pour la fusion d'être viable c'est que le réacteur soit capable de générer autant de tritium qu'il n'en consomme, voire plus pour pouvoir démarrer un autre réacteur », explique-t-il. La tâche est éminemment complexe. A titre d'illustration, Iter est censé tester cinq modules différents de génération de tritium.
Outre cet écueil, la recherche doit également énormément avancer sur les matériaux, car les enceintes des réacteurs devront résister à des dizaines d'années de bombardement de neutrons. Autre grand défi : s'assurer que des phénomènes de disruption du plasma ne puissent en aucun cas survenir car l'écrasement d'un plasma à 150 millions de degrés endommagerait inévitablement le matériel. « Un tokamak (l'enceinte dans laquelle est confiné le plasma, ndlr) ne peut fonctionner que si on supprime ces événements », assure Greg de Temmerman. Enfin, un tokamak a besoin de générer du courant en continu et « on n'a encore jamais prouvé qu'un tokamak pouvait fonctionner de façon continue », pointe-t-il.
Gare aux revers et déceptions
Surtout, l'industrie de la fusion n'est pas à l'abri de revers et déceptions, qui ont déjà largement marqué son histoire. « En 1998, TAE Technologies promettait un premier réacteur dans les 15 années à venir », se souvient le spécialiste. Une dizaine d'années plus tôt, en 1989, deux chimistes de l'université de l'Utah (Etats-Unis) avaient affirmé avoir réussi à fusionner des noyaux à température ambiante dans une simple cellule électrochimique sur une paillasse. Une affirmation qui s'est démentie quelques semaines plus tard. Autre exemple en 1951, au plus fort de la guerre froide. Juan Perón, alors président de l'Argentine, avait assuré que ses scientifiques étaient parvenus à maîtriser l'énergie de fusion, faisant ainsi la une des journaux du monde entier. Le combustible de fusion serait bientôt disponible, comme le lait, disait-il, dans des bouteilles d'un demi-litre.
Plus récemment, le méga projet Iter promettait la production d'un premier plasma en 2025. Celle-ci n'aura finalement pas lieu avant 2030. De quoi s'interroger sur la place de ce méga projet dans un écosystème de plus en plus dynamique. Présenté comme un outil de formation pour des milliers de physiciens, complémentaire et bénéfique pour les startups, le programme, soumis à une gouvernance très complexe et confronté à des défis d'ingénierie accentués par sa taille, cumule les retards. « C'est une question qui devient gênante », reconnaît Greg Temmerman.
Renaissance fusion, seule start-up tricolore dans la course Renaissance fusion est la seule start-up française à plancher sur la fusion nucléaire. Basée à Grenoble, elle s'est spécialisée dans la fusion par confinement magnétique. Cette approche consiste à faire chauffer un plasma à 150 millions de degrés et à le confiner grâce à des aimants extrêmement puissants, capables de rapprocher les particules et de les faire circuler selon une trajectoire bien précise. Toutefois, à la différence du méga projet Iter, la jeune pousse a choisi un design de réacteur bien particulier : le stellarator, qui diffère du tokamak bien plus répandu et étudié par les chercheurs par le passé. Initialement conçu par les Américains, ce type de réacteur est beaucoup plus difficile à construire que le tokamak, mais il présente un grand avantage : il permet d'obtenir un plasma très stable et de produire de l'énergie de manière continue et non pulsée. Ses aimants sont en revanche « tarabiscotés », explique Simon Belka, chef de projet au sein de l'entreprise. Pour surmonter cet écueil, Renaissance Fusion a développé une technique innovante pour fabriquer ces aimants. « On dépose la matière supraconductrice directement sur l'enceinte du réacteur ce qui permet d'avoir une enceinte aimantée géante », résume Simon Belka. Elle utilise ensuite un laser pour enlever la matière et donner un pattern bien précis. La start-up planche aussi sur des métaux liquides capables d'absorber la chaleur et de protéger les parois des réacteurs. Avant de construire un réacteur nucléaire, l'entreprise prévoit de vendre ses briques technologiques à d'autres secteurs pour financer son développement. Elle entend ensuite mettre sur pied un réacteur d'essai en 2028, capable de produire deux fois plus d'énergie qu'il n'en consomme. Ce démonstrateur ne produira que de la chaleur. Dernière étape : vendre un réacteur de 1000 mégawatts électriques, soit l'équivalent peu ou prou de la puissance d'une tranche nucléaire, entre 2032 et 2035. Renaissance Fusion officialisera dans les prochaines semaines une levée de fonds supérieure à 10 millions d'euros. Elle prépare déjà un prochain tour de table pour 2024 et a postulé à l'appel à projets de réacteurs nucléaires innovants, lancé par Bpifrance.
« Quand nous mettrons le pied sur l'accélérateur, nous serons difficiles à égaler » (Joelle Pineau, directrice de la recherche en IA chez Meta)
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