Infrastructures de recherche internationales

ITER: l’assemblage du plus grand puzzle du monde peut commencer

Quiconque voyage par la route entre Aix-en-Provence et Manosque en France ne peut manquer un très imposant bâtiment brillant et réfléchissant le ciel d’azur de Provence. Cet édifice au design très particulier regroupe depuis mars 2019 sous un toit unique le gigantesque hall d’assemblage et le complexe qui hébergera le réacteur expérimental ITER. D’imposantes grues peuvent à présent circuler d’un côté à l’autre de l’ouvrage afin d’insérer des composants pesant jusqu’à 1500 tonnes dans le puits du tokamak. Les travaux de génie civil sont terminés et l’assemblage des quelque dix millions de pièces du puzzle que constitue l’une des plus grandes expériences scientifiques du moment peut commencer. La Suisse participe elle aussi à ce grand projet multilatéral avec des contributions scientifiques et industrielles.

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Acheminement à Cadarache du premier électroaimant toroïdal livré par l’Europe. Un chariot à 342 roues supporte les 320 tonnes d’une bobine. Dix-huit bobines seront installées sur le tokamak. Photo: màd

Les enjeux de cette expérience sont considérables. Le développement des technologies nécessaires à l’exploitation industrielle de la fusion nucléaire doit permettre d’apporter dans la seconde moitié du XXIe siècle une réponse durable aux besoins énergétiques d’une société écologiquement responsable et au bilan carbone neutre.

Une solution durable aux problèmes énergétiques
Au contraire de la fission nucléaire, la fusion nucléaire porte la promesse d’une source d’énergie intrinsèquement sûre, virtuellement illimitée et ne générant ni CO2 ni déchets radioactifs de haute activité et à vie longue. Le défi est toutefois de taille: initier une réaction de fusion capable de s’auto-entretenir requiert de confiner magnétiquement dans une chambre à vide un plasma de deutérium et de tritium chauffé à une température de 150 millions de degrés Celsius et de l’y alimenter en combustible. Or, les électroaimants générant le champ magnétique nécessaire doivent être, eux, maintenus à une température de fonctionnement de –193 °C!

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Vue aérienne du site de construction d’ITER en février 2020, avec au centre le hall d’assemblage et le complexe du tokamak. Photo: ITER Organization/EJF Riche

Une collaboration à l’échelle mondiale
L’Union européenne, la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l’Inde, le Japon et la Russie s’emploient depuis 2007 à la réalisation du tokamak ITER à Cadarache, en France, afin de démontrer l’intérêt de la fusion nucléaire pour la production industrielle d’énergie. Dans le contexte de sa coopération avec l’Union européenne dans le domaine de la recherche et de l’innovation, la Suisse participe à cet effort depuis son démarrage avec un statut équivalent à celui d’un État membre de l’Union européenne.

Premier élément inséré
La très officielle phase d’assemblage d’ITER a d’ores et déjà commencé. Le 15 avril dernier, la section inférieure du cryostat qui pèse 1250 tonnes a parcouru les 170 mètres séparant son hangar de construction du hall d’assemblage pour être le premier élément inséré dans le puits du tokamak. Une fois assemblé, le cryostat agira comme un bouclier thermique isolant les composants du réacteur de l’environnement extérieur, malgré quelque 280 ouvertures, dont certaines de 4 mètres de large.

La chambre à vide qui abritera la réaction de fusion sera ensuite installée dans le cryostat. Le premier des neuf secteurs composant ce colosse de 5200 tonnes d’acier est sorti le 20 avril 2020 des ateliers de Hyundai Heavy Industries en Corée du Sud. Il est actuellement en cours d’acheminement vers le site de construction d’ITER. La complexité géométrique de ses sous-éléments, le rapport unique entre la taille et les tolérances d’exécution et la nécessité de répondre aux standards nucléaires les plus stricts font de la réalisation de ce premier secteur un succès industriel majeur.

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Déplacement de la base du cryostat vers le hall d’assemblage: 29 mètres de diamètre pour 1250 tonnes. Une fois assemblé, le cryostat sera haut de 30 mètres et pèsera 2850 tonnes. Photo: màd

Les défis d’une construction titanesque
L’Europe n’est pas en reste, car elle porte la responsabilité de la réalisation des 39 bâtiments à ériger sur le site de Cadarache. La finalisation du complexe hébergeant le tokamak constitue en soi une victoire d’étape importante. Dans le même temps, l’entreprise commune européenne chargée de la contribution de l’Europe à ITER, Fusion for Energy, a livré le 17 avril dernier le premier électroaimant supraconducteur toroïdal. La réalisation en Italie de cette bobine de 320 tonnes représente l’accomplissement de douze années de travail impliquant 700 personnes et 40 entreprises. La construction des électroaimants poloïdaux avance également à plein régime. Les plus grands, mesurant 400 tonnes pour 24 mètres de diamètre, sont produits à quelques centaines de mètres du complexe tokamak à partir de câbles supraconducteurs et d’énormes quantités de résine époxy injectée sous vide dans un coffrage d’acier.

Premières expériences prévues dès 2035
L’assemblage de cette machine hors-normes se fera montre en main. N’incluant strictement aucune marge, l’échéancier de réalisation d’ITER prévoit que l’exploitation des installations débutera en 2025 et que les expériences nucléaires décisives interviendront en 2035. D’ici là, il faudra non seulement encore produire et assembler une à une des millions de pièces souvent uniques et démontrer que cette machine peut produire un solde net d’énergie. Il faudra aussi développer les technologies permettant d’atteindre l’un des buts les plus ambitieux d’ITER, à savoir la production de tritium à l’intérieur même du réacteur. Cette ambition est partagée par les 35 nations qui travaillent conjointement à relever ce défi, qui revêt une signification toute particulière à l’heure de la transition énergétique.

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Premier secteur de la chambre à vide d’ITER assemblé par la Corée du Sud. Haut de 14 mètres, le secteur pèse 440 tonnes et comprend 1380 mètres de soudure répondant aux standards nucléaires. Photo: màd

Le savoir-faire suisse mis à contribution
La Suisse contribue activement à la réalisation d’ITER en tant que membre de l’entreprise commune européenne Fusion for Energy. Au travers de ses institutions de recherche et entreprises, elle met à disposition des compétences et ressources industrielles de premier plan. Le Swiss Plasma Center basé à l’EPFL et au PSI est notamment responsable de la qualification de l’ensemble des câbles supraconducteurs qui seront installés sur ITER. Il contribue également activement à la conception des systèmes de chauffage ou encore, grâce à son Tokamak à Configuration Variable (TCV), à l’étude de la relation entre géométrie et performance des plasmas. L’Université de Bâle étudie les interactions entre plasma et parois internes des réacteurs, alors que des entreprises suisses livrent des équipements de pointe dans les domaines tels que la cryogénie, la supraconductivité ou encore l’électrotechnique.

Une participation aussi financière de la Suisse
Le financement de la participation suisse à ITER est réglé par l’accord conclu en décembre 2014 sur la participation de la Suisse aux programmes-cadres de l’UE en 2014–2020. La contribution de la Suisse à ITER, qui est versée à l’organisme Fusion for Energy, se monte à 13,6 millions de francs pour l’année 2020. La poursuite de la participation de la Suisse à cette entreprise unique dès 2021 constituera l’un des enjeux des futures négociations avec l’UE portant sur la participation de la Suisse au paquet «Horizon 2021–2027», constitué du prochain programme-cadre de recherche et d’innovation «Horizon Europe», des programmes Euratom et Digital Europe Programme ainsi que – justement – de l’infrastructure ITER.

Auteur

Patrice Soom, SEFRI
Conseiller scientifique, unité Organisations internationales de recherche

Informations complémentaires

ITER / Fusion for Energy

https://www.sbfi.admin.ch/content/sbfi/fr/home/dienstleistungen/publikationen/publikationen-bestellen/s-n-2020-3/s-n-2020-3h.html