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Miner la Lune
Au début du 21e siècle, peu de gens auraient prédit qu'en 2007, une deuxième course pour la lune serait en cours. Pourtant, les signes sont que c'est maintenant le cas. De plus, dans la course à la lune d'aujourd'hui, contrairement à celle qui a eu lieu entre les États-Unis et l'URSS dans les années 1960, une liste complète de puissances mondiales du XXIe siècle, dont la Chine et l'Inde, sont en compétition.
Gaz chauds : Des chercheurs du Fusion Technology Institute de l'Université du Wisconsin-Madison testent ce réacteur à fusion, montré avec une vue de la grille dans laquelle a lieu le confinement électrostatique interial.
Plus surprenant encore, l'une des raisons de l'intérêt semble être le projet d'extraction d'hélium-3 - prétendument un combustible idéal pour les réacteurs à fusion mais presque indisponible sur Terre - à partir de la surface de la Lune. La vision de l'exploration spatiale de la NASA prévoit que des astronautes américains seront de retour sur la lune en 2020 et y occuperont en permanence une base d'ici 2024. Bien que l'agence spatiale américaine n'ait ni annoncé ni nié son désir d'exploiter l'hélium-3, elle a néanmoins placé des partisans de l'extraction de He3 à des postes influents. Pour sa part, la Russie prétend que le but de tout programme lunaire, pour ce qu'il vaut, la société de fusées Énergie a récemment commencé à fanfaronner, à la soviétique, qu'il construira un base lunaire permanente d'ici 2015-2020 – extraira He3.
Les Chinois, eux aussi, croient apparemment que l'hélium-3 de la Lune peut permettre aux usines de fusion sur Terre. Cet automne, la République populaire prévoit d'orbiter un satellite autour de la Lune, puis d'y poser un véhicule sans pilote en 2011.
L'Inde n'a pas non plus l'intention d'être laissée de côté. (Voir India’s Space Ambitions Soar .) Au printemps dernier, son président, A.P.J. Kalam et son Premier ministre, Manmohan Singh, ont prononcé des discours majeurs affirmant qu'en plus de construire des capteurs solaires géants en orbite et sur la lune, la plus grande démocratie du monde a également l'intention d'exploiter He3 à partir de la surface lunaire. la sonde indienne, Chandrayaan-1 , décollera l'année prochaine, et l'ISRO, l'Organisation indienne de recherche spatiale, envisage d'envoyer Chandrayaan-2 , un rover de surface, en 2010 ou 2011. Simultanément, le Japon et l'Allemagne font également du bruit au sujet du lancement de leurs propres missions lunaires à peu près à cette époque, et évoquent la possibilité d'extraire du He3 et de le ramener à alimenter des réacteurs nucléaires à fusion sur Terre.
He3 de la lune pourrait-il vraiment être une solution réalisable à nos besoins en énergie sur Terre ? On prévoit aujourd'hui que la fusion nucléaire pratique aura lieu dans cinq décennies, la même prédiction qui a été faite lors de la conférence Atoms for Peace de 1958 à Bruxelles. Si la date d'arrivée de l'énergie de fusion est constamment éloignée de 50 ans depuis 1958, pourquoi l'hélium-3 rendrait-il soudainement l'énergie de fusion plus réalisable ?
Les partisans de la fusion à base de He3 soulignent le fait que les efforts actuels pour développer la production d'électricité basée sur la fusion, comme le ITER mégaprojet, utiliser le cycle du combustible deutérium-tritium, ce qui est problématique. (Voir International Fusion Research .) Le deutérium et le tritium sont tous deux des isotopes de l'hydrogène, et lorsqu'ils sont fusionnés dans un plasma surchauffé, deux noyaux se réunissent pour créer un noyau d'hélium, composé de deux protons et de deux neutrons, et d'un neutron de haute énergie. . Une réaction de fusion deutérium-tritium libère 80% de son énergie dans un flux de neutrons à haute énergie, qui sont très destructeurs pour tout ce qu'ils frappent, y compris la cuve de confinement d'un réacteur. Étant donné que le tritium est hautement radioactif, cela fait du confinement un gros problème car les structures s'affaiblissent et doivent être remplacées. Ainsi, quels que soient les matériaux utilisés dans une centrale à fusion deutérium-tritium, ils devront subir des sanctions sévères. Et si cela est réalisable, lorsque ce réacteur à fusion sera finalement déclassé, il y aura encore beaucoup de déchets radioactifs.
Les partisans de l'hélium-3 prétendent qu'à l'inverse, il serait non radioactif, évitant ainsi tous ces problèmes. Mais un critique sérieux a accusé qu'en réalité, la fusion basée sur He3 n'est même pas une option réalisable. Dans le numéro d'août de Monde de la physique , le physicien théoricien Frank Close, à Oxford au Royaume-Uni, a publié un article intitulé Craintes sur les faits dans lequel, entre autres, il résume certaines affirmations des aficionados de l'hélium, puis rejette ces affirmations comme étant essentiellement fantaisistes.
Close souligne que dans un tokamak, une machine qui génère un champ magnétique en forme de beignet pour confiner les plasmas surchauffés nécessaires à la fusion, le deutérium réagit jusqu'à 100 fois plus lentement avec l'hélium-3 qu'avec le tritium. Dans un plasma contenu dans un tokamak, souligne Close, tous les noyaux du combustible se mélangent, donc le plus probable est que deux noyaux de deutérium fusionnent rapidement et produisent un noyau de tritium et un proton. Ce tritium, à son tour, fusionnera probablement avec le deutérium et produira finalement un atome d'hélium-4 et un neutron. En bref, dit Close, si l'hélium-3 est extrait de la Lune et amené sur Terre, dans un tokamak standard, le résultat final sera toujours la fusion deutérium-tritium.
Deuxièmement, Close rejette l'affirmation selon laquelle deux noyaux d'hélium-3 pourraient de manière réaliste fusionner l'un avec l'autre pour produire du deutérium, une particule alpha et de l'énergie. Cette réaction se produit encore plus lentement que la fusion deutérium-tritium, et le combustible devrait être chauffé à des températures extrêmement élevées – six fois la chaleur de l'intérieur du soleil, selon certains calculs – qui seraient hors de portée de tout tokamak. Par conséquent, conclut Close, l'histoire lunaire-hélium-3 est, à mon avis, un clair de lune.
L'objection de Close, cependant, suppose que la fusion deutérium-hélium-3 et la fusion d'hélium-3 pur auraient lieu dans des réacteurs à base de tokamak. Il peut y avoir des alternatives : par exemple, Gerald Kulcinski , professeur de génie nucléaire à l'Université du Wisconsin-Madison, a maintenu le seul réacteur de fusion à l'hélium-3 au monde avec un budget annuel à peine à six chiffres.
Le réacteur de fusion à base de He3 de Kulcinski, situé au Fusion Technology Institute de l'Université du Wisconsin, est très petit. Lorsqu'il fonctionne, il contient un plasma sphérique d'environ 10 centimètres de diamètre qui peut produire une fusion soutenue avec 200 millions de réactions par seconde. Pour produire un milliwatt de puissance, malheureusement, le réacteur consomme un kilowatt. La réponse de Close est donc suffisamment valable : lorsque la fusion pratique se produit avec une puissance nette de sortie démontrée, moi-même et la communauté mondiale de la fusion peuvent en prendre note.
Pourtant, cette critique s'applique également à ITER et à l'effort de réacteur basé sur le tokamak, qui n'a pas encore atteint le seuil de rentabilité (le point auquel un réacteur à fusion produit autant d'énergie qu'il en consomme). Ce qui est important à propos du réacteur du Wisconsin, c'est que, comme le dit Kulcinski, nous réalisons à la fois des réactions deutérium-He3 et He3-He3. Nous effectuons quotidiennement des réactions de fusion deutérium-He3, nous connaissons donc très bien cette réaction. Nous faisons également He3-He3 parce que si nous pouvons contrôler cela, cela aura un potentiel immense.
Le réacteur du Fusion Technology Institute utilise une technologie appelée confinement électrostatique inertiel (CEI). Kulcinski explique : si nous utilisions un tokamak pour faire du deutérium-hélium-3, il faudrait qu'il soit plus gros que l'appareil ITER, qui repousse déjà les limites de la crédibilité. Nos appareils IEC, en revanche, sont de la taille d'une table et, lors de nos analyses deutérium-He3, nous obtenons des neutrons produits par réaction secondaire avec du deutérium. Néanmoins, poursuit Kulcinski, lorsque se produisent des réactions secondaires impliquant la fusion de deux noyaux de deutérium pour produire un noyau de tritium et un proton, le tritium produit est à un niveau d'énergie tellement plus élevé que le système de confinement qu'il s'échappe immédiatement. Par conséquent, la radioactivité dans notre système deutérium-He3 n'est que de 2 % de la radioactivité dans un système deutérium-tritium.
Plus significative est la réaction de fusion He3-He3 que Kulcinski et ses assistants produisent avec leur réacteur IEC. Dans le réacteur de Kulcinski, deux noyaux d'hélium-3, chacun avec deux protons et un neutron, fusionnent à la place pour produire un noyau d'hélium-4, composé de deux protons et deux neutrons, et de deux protons hautement énergétiques.
He3-He3 n'est pas une réaction facile à promouvoir, dit Kulcinski. Mais la fusion He3-He3 a le plus grand potentiel. C'est parce que l'hélium-3, contrairement au tritium, est non radioactif, ce qui, d'abord, signifie que le réacteur de Kulcinski n'a pas besoin de l'enceinte de confinement massive qu'exige la fusion deutérium-tritium. Deuxièmement, les protons qu'il produit, contrairement aux neutrons produits par les réactions deutérium-tritium, possèdent des charges et peuvent être contenus à l'aide de champs électriques et magnétiques, ce qui entraîne à son tour une génération directe d'électricité. Kulcinski dit qu'un de ses assistants diplômés du Fusion Technology Institute travaille sur un dispositif à semi-conducteurs pour capturer les protons et convertir leur énergie directement en électricité.
Pourtant, le réacteur de Kulcinski ne prouve que la faisabilité et les avantages théoriques de la fusion He3-He3, avec une viabilité commerciale dans des décennies. Actuellement, dit-il, le ministère de l'Énergie nous dira : « Nous allons faire fonctionner la fusion. Mais vous ne retournerez jamais sur la lune, et c'est la seule façon d'obtenir des quantités massives d'hélium-3. Alors oubliez ça. » Pendant ce temps, les gens de la NASA nous disent : « Nous pouvons obtenir l'hélium-3. Mais vous ne réussirez jamais à faire fonctionner la fusion. » Le DOE ne pense donc pas que la NASA puisse faire son travail, la NASA ne pense pas que le DOE puisse faire son travail, et nous sommes entre les deux pour essayer de faire travailler les deux ensemble. À l'heure actuelle, le financement de Kulcinski provient de deux personnes fortunées qui, dit-il, ne s'intéressent qu'à la recherche et sans attente de profit financier.
Globalement, donc, l'hélium-3 est ne pas le fruit à portée de main parmi les carburants potentiels pour créer une puissance de fusion pratique, et c'est celui que nous devrons atteindre la lune pour cueillir. Cela dit, si la puissance de fusion pure à base de He3 est réalisable, elle aurait d'immenses avantages.