Le physicien soviétique Lev Artsimovitch est celui qui a permis d’assoir, dès les années 1960, le concept de tokamak (acronyme russe qui veut dire chambre toroïdale avec bobines magnétiques) comme référence pour les machines de fusion par confinement magnétique. Depuis, plusieurs centaines de ces machines ont été construites dans le monde, mais Iter aspire à être le tokamak le plus ambitieux et le puissant d’entre eux. C’est aussi le premier projet d’installation de fusion qui a réuni autant de pays au sein d’un seul et même organisme de recherche internationale.

Le programme Iter tire son origine d’une idée fédératrice : disposer d’une énergie abondante et propre, et résoudre par la même occasion de nombreux problèmes auxquels l’humanité est confrontée. Pour mener à bien ce défi titanesque, à la fois technique, politique, humain et scientifique, plusieurs milliers de personnes œuvrent nuit et jour à Cadarache dans les Bouches-du-Rhône. La contribution des membres internationaux se fait essentiellement « en nature », sous forme de fourniture des pièces et des systèmes auxiliaires de l’installation à Iter Organization, l’organisme en charge de la coordination et de l’exploitation ; les transferts financiers ne représentant que 10 % des contributions.

Les retards dans l’assemblage de la machine, entre autres, ont entrainé une modification du calendrier une première fois en 2015, puis à nouveau en 2025. Le premier plasma est dorénavant attendu pour 2034. Avant d’aborder la phase deutérium-tritium en 2039, Iter ne produira d’abord que des plasmas à base de deutérium.

Une puissance inégalée

Le plasma d’Iter devra produire 10 fois plus d’énergie que celle nécessaire à le chauffer. On parle alors d’un facteur d’amplification de l’énergie du plasma de 10 (ratio de « puissance fusion » sur « puissance de chauffage »), contre un record de 1,54 aujourd’hui. Ce score a cependant été atteint par un dispositif ayant recours à la technologie de confinement inertiel : le NIF en 2022. Les tokamaks (confinement magnétique) n’ont pour l’instant pas dépassé Q=1 (le breakeven). Ainsi dans Iter, 50 MW de chauffage injecté généreront 500 MW de puissance de fusion, et cela en continu pendant 400 à 600 secondes.

Iter n’est « qu’une » étape

Dans l’enceinte d’un tokamak, c’est l’énergie thermique (de la chaleur) issue de la réaction de fusion qui « chauffe » les parois internes de la machine. Celles-ci sont équipées d’un système de circulation d’eau pressurisée qui évacue la chaleur, laquelle pourra, dans une centrale de fusion industrielle, générer la vapeur à partir de laquelle l’électricité pourra être produite. C’est le même principe que pour les réacteurs à fission nucléaire.

Iter reste un projet expérimental. En effet, la machine n’est pas prévue pour produire une réaction de fusion en continu, ni de l’électricité. La réalisation des étapes suivantes sera dévolue à un démonstrateur industriel qui devrait lui succéder dans la décennie 2050, et qui lui devrait permettre de produire de l’électricité de manière industrielle.

Iter sera le plus grand tokamak jamais construit, et celui qui mobilisera le plus de technologies inédites pour son fonctionnement. Les défis à relever sont donc nombreux pour concevoir cette machine d’un poids de 23 000 tonnes, trois fois supérieur à celui de la Tour Eiffel, et ses installations auxiliaires de soutien (cryogénie, chauffage, etc.).

Un chantier international majeur aux nombreuses retombées locales

Le premier défi d’Iter est celui de la fabrication des pièces. Un million d’éléments différents, soit 10 millions de pièces, sont fabriqués dans les usines des membres d’Iter, sur trois continents, avant d’être acheminés vers le chantier. Un autre défi est lié à l’assemblage de toutes ces pièces, sachant que les tolérances géométriques impliquées sont de l’ordre du millimètre, y compris pour des pièces de grandes dimensions pesant plusieurs centaines de tonnes.

Iter est aussi un chantier hors norme pour les ressources humaines et financières qu’il mobilise. Près de 5 000 personnes travaillent aujourd’hui sur le site. Pour l’économie régionale, les bénéfices sont très nombreux. Ainsi, en quinze ans de 2007 à fin 2022, le montant des contrats attribués à des entreprises implantées en région sud-PACA a été de 4,2 milliards d’euros, soit près de 80 % du total des contrats attribués à des entreprises implantées en France (5,4 milliards d’euros). Au total, plus de 500 sociétés sont présentes en sous-traitance sur le chantier d’Iter, dont 80 % en France.

Pour chaque État membre, les retombées sont nombreuses également. La participation des différents pays, à travers la construction des pièces de la machine, permet au tissu scientifique et industriel de chacun d’entre eux de se préparer à aborder l’étape suivante des prototypes de centrales conçus pour produire de l’électricité à l’échelle industrielle.

Supporter l’environnement extrême du plasma

Les composants amenés à côtoyer le plasma ont été conçus pour supporter une charge thermique de l’ordre de 736 MWth. Ils doivent protéger la chambre et les aimants de la chaleur et des flux de neutrons issus de la réaction de fusion.

Dans la chambre à vide du tokamak (dans laquelle se dérouleront les réactions de fusion), une couverture, composée de 440 modules, sera installée sur des supports le long des parois. C’est dans cette « couverture » que l’énergie cinétique des neutrons se mue en chaleur, dissipée par le circuit de refroidissement.

Dans la partie inférieure basse de la machine, un « divertor » assurera l’extraction des effluents gazeux, des impuretés de la machine et des cendres, ainsi qu’une partie de la chaleur générée par les réactions de fusion. Le divertor est constitué de 54 « cassettes » en acier inoxydable recouvertes d’une surface en tungstène, un matériau hautement résistant. Actuellement, le CEA teste au sein du tokamak West de l’Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (IRFM), le comportement des composants recouverts de tungstène, utilisés pour le divertor d’Iter.

Des aimants surpuissants

Pour permettre de confiner le plasma, de très puissants champs magnétiques, toroïdaux et poloïdaux, devront être produits par des aimants supraconducteurs. Les 18 aimants générateurs des champs toroïdaux (axe vertical) sont gigantesques : 17 mètres de haut, 7 mètres de large. Ce sont les aimants les plus complexes et les plus grands jamais construits.

Les six aimants de champ poloïdal (axe horizontale), de forme annulaire, sont tout aussi impressionnants, avec des diamètres de 8, 10, 17 et 24 mètres. Ainsi, pour générer ce champ magnétique, qui confinera et modèlera le plasma à l’intérieur de la chambre à vide, 10 000 tonnes d’aimants supraconducteurs seront nécessaires au total.

Un immense cryostat

L’ensemble de la machine sera recouvert par un cryostat. Cette chambre à vide en acier inoxydable, d’un volume de 16 000 m³ pour 3 850 tonnes, permettra d’avoir un vide 1 million de fois moins dense que l’atmosphère terrestre. Le cryostat d’Iter est aussi le plus grand jamais réalisé à ce jour.

Le plus grand circuit de froid au monde

Pour générer les champs magnétiques nécessaires au fonctionnement du tokamak, le refroidissement des supraconducteurs à -269 °C (4.5 Kelvin) est capital. Pour atteindre ces températures, une usine cryogénique a été conçue à proximité du tokamak. Ce sera le plus grand système de refroidissement centralisé jamais conçu.

Les circuits de distribution cryogéniques fourniront de l’hélium liquide à une température de
-269°C (4,5 Kelvin) aux aimants supraconducteurs, aux cryopompes qui créeront le vide dans le cryostat et à la chambre à vide. L’usine produira également de l’azote pour le refroidissement des écrans thermiques.

D’autres objectifs pour la machine

Dans les centrales à fusion ultérieures, le tritium utilisé comme combustible devra être fabriqué in situ, dans la machine, en récupérant les neutrons émis lors de la réaction de fusion pour les diriger vers des « cibles » contenant des atomes de lithium. La faisabilité de cette technologie « tritigène » doit encore être étudiée en détail et c’est l’une des missions d’Iter qui testera des maquettes de ces composants spécifiques. ■