Bon Pote #6 : Greg De Temmerman, ITER et la Fusion Nucléaire

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Fusion

Lors d’une précédente interview, il fallait qu’il fasse froid pour s’amuser. Cette fois-ci, il va falloir qu’il fasse un peu chaud : 150.000.000 de degrés. La Fusion nucléaire déchaîne les passions depuis des décennies, et continue d’être au centre des attentions. Si des gouvernements, ou des types comme Bill Gates et Jeff Bezos y investissent des centaines de millions, cela vaut peut-être le coup d’y jeter un œil. Pour cela, j’ai eu la chance de pouvoir m’entretenir avec Greg de Temmerman, coordinateur scientifique sur le projet ITER . En plus d’être brillant, Greg a quelque chose que j’apprécie particulièrement : il ne pense pas qu’en silo. La fusion, tout comme l’énergie plus généralement, a une relation complexe avec l’économie, la politique, la sociologie, la psychologie, voire la philosophie… C’est d’ailleurs sous cet angle que j’ai souhaité échanger avec lui : sortir un peu des sentiers battus, et voir au-delà de la fusion.

Hello Greg ! Merci beaucoup d’avoir accepté l’invitation. Avant de rentrer dans le vif du sujet, peux-tu nous dire qui tu es, et nous expliquer quel est ton poste actuel ?

Hello ! Merci à toi pour l’invitation.

J’ai un parcours assez classique avec un diplôme d’ingénieur chimiste et une spécialisation en matériaux métalliques. J’ai ensuite enchainé avec une thèse en physique expérimentale à l’université de Bâle en Suisse où j’ai commencé à travailler dans le domaine de la fusion pour ne plus vraiment le quitter. Ensuite, j’ai eu l’opportunité de faire un postdoc en Californie et d’enchaîner avec un poste de physicien en Angleterre. On m’a alors proposé de prendre la tête d’un groupe de recherche aux Pays-Bas et j’y suis resté 5 ans avant de rejoindre ITER et le sud de la France- au prix d’un gentil choc thermique.

Je suis un « expert » (j’aime assez peu le terme) de l’étude des endommagements des matériaux dans des conditions extrêmes – et les conditions dans une machine de fusion le sont ! – et des interactions entre les plasmas (des gaz très chauds) et le matériaux.

A ITER, je suis coordinateur scientifique, responsable de tout ce qui a trait aux interactions entre le plasma et les matériaux dans la machine. Un titre un peu pompeux mais un poste varié et assez atypique, qui se divise en trois thématiques :

– Du support scientifique pour l’ingénierie des composants d’ITER.
– De la veille et de la synthèse scientifique pour suivre les avancées dans mon domaine et évaluer ce qu’elles signifient pour ITER et la durée de vie des matériaux.
– La préparation de l’exploitation scientifique d’ITER. Même si ITER ne démarrera que dans 5 ans, il faut décider de comment organiser les campagnes, le conditionnement (s’assurer du meilleur vide possible), de comment gérer le cycle du combustible, etc.

La fusion, c’est une passion depuis tout petit ? Ou c’est à l’école…Ou après ?! C’est quand même un sacré challenge intellectuel !

Et bien non… pas du tout ! Au lycée je m’imaginais travailler dans le domaine des matériaux composites… Et je ne connaissais presque rien à la fusion avant de commencer ma thèse.

J’ai fait mon stage de fin d’études au CEA, sur l’étude de couches métalliques déposées par plasma et j’ai bien aimé le côté pluri-disciplinaire, je n’ai jamais aimé être cantonné à un sujet. J’ai donc cherché une thèse dans la même veine et je souhaitais aller à l’étranger… Tu me diras Bâle c’est à la frontière avec la France ! Le sujet concernait l’étude de la dégradation d’éléments optiques, des miroirs, utilisés dans ITER pour mesurer les propriétés du plasma. Ces miroirs sont placés très près du plasma dans des conditions très hostiles.

En travaillant l’entretien, j’ai commencé à lire différents documents sur la fusion et ça m’a fasciné. Tout paraissait extrême. Un incroyable défi scientifique, technologique et humain. C’est là qu’est venue l’étincelle. J’ai tout de suite compris aussi que la fusion est une incroyable histoire de collaboration : j’ai tout de suite intégré une équipe internationale me permettant d’en apprendre toujours plus de la part de personnalités fascinantes.

Quels sont les avantages de la fusion vs ce que nous avons actuellement, la fission ?

Il faut d’abord préciser ce qu’est la fusion. Il existe 2 façons de produire de l’énergie par des réactions nucléaires : la fission, que l’on utilise dans les centrales nucléaires, qui consiste à casser des gros atomes ; et la fusion qui consiste à faire réagir des petits atomes pour en former de plus lourds.

Sur le papier, on y reviendra, la fusion possède de nombreux avantages :

– Une très forte densité énergétique : 1 g de combustible contient autant d’énergie que 10 g d’uranium et que 16 tonnes de pétrole ! La fusion utilise du deuterium : un isotope de l’hydrogène qu’on trouve naturellement sur Terre et du lithium. Les réserves sont très abondantes.
– La réaction ne peut pas s’emballer, il suffit de couper l’alimentation pour qu’elle s’éteigne.
– Les quantités de matière mises en jeu sont très faibles, le plasma pèse quelques grammes, ce qui limite considérablement la possibilité de relâchement de matière pendant un accident.

Enfin la fusion crée des déchets comme tout procédé mais pas de déchets à haute activité et vie longue, ceux qui provoquent tant de débats. La durée de demi-vie des déchets est de quelques dizaines d’années ce qui permet un recyclage après une centaine d’années.

Parlons un peu d’ITER. Quelle est l’ambition d’ITER ? Cela répond à quel besoin ? 

Tout d’abord il est important de préciser que la fusion nucléaire ne se produit pas spontanément, il faut chauffer un gaz à de très hautes températures (environ 150 millions de degrés dans ITER) pour provoquer suffisamment de réactions de fusion. Il faut donc investir de l’énergie pour atteindre les conditions nécessaires à la fusion et on tente de générer par la fusion beaucoup plus d’énergie que ce qu’on a dû injecter pour chauffer le gaz.

Les recherches en fusion ont commencé il y a 70 ans, mais à ce jour il n’a jamais été possible de générer de l’énergie. Le record date de 1997 en Angleterre où une puissance de 16MW a été générée mais cela représentait 76% de la puissance injectée. Cela a permis de démontrer qu’on pouvait faire de la fusion nucléaire contrôlée sur terre. Mais évidemment au niveau énergétique ça n’est pas satisfaisant.

L’objectif d’ITER est donc de démontrer qu’on peut générer plus d’énergie qu’on en injecte- ITER doit démontrer un gain de l’ordre de 10. On vise la production de 500 MW thermiques (pas de génération électrique). ITER doit également développer et tester des technologies qui seront nécessaires sur des réacteurs industriels. On utilise des composants qui sont capables de résister à des flux de chaleur extrême- 10-15 fois plus élevés que le flux de chaleur de la Sonde Parker de la mission Solar Probe Plus qui étudie la couronne solaire.

D’après ce que j’ai compris, ITER n’est qu’une machine expérimentale, servant de modèle, avant d’être reproduite ailleurs. Peux-tu nous éclaircir sur ce point ?

C’est exact. ITER est avant tout une expérience scientifique pour démontrer la faisabilité scientifique et technique de la génération d’énergie par la fusion. C’est en principe la dernière étape avant le développement d’un démonstrateur pré-industriel (souvent appelé DEMO) qui sera connecté à la grille électrique et produira de l’électricité. Il s’agit non seulement de générer de l’énergie mais aussi de démontrer qu’on peut contrôler le plasma (le gaz très chaud)- qui est par nature très instable (le plasma s’éteint de façon violente).

Mais DEMO sera certainement assez différent d’ITER. En principe ce sera une machine plus grosse qui permettra d’atteindre des facteurs d’amplifications supérieurs à 30 afin de pouvoir générer des puissances électriques équivalentes à celles d’un réacteur nucléaire (de l’ordre de 500-1000MW électriques). ITER étant une expérience on a besoin de beaucoup de systèmes de mesures des paramètres du plasma, des instabilités etc. Cela ne sera pas nécessaire pour un réacteur.

En regardant le parcours de la fusion nucléaire, j’ai eu l’impression de voir le parcours d’une start-up : grand enthousiasme dans les années 50, puis la dure réalité du terrain qui pointe très vite le bout de son nez. Si tu devais donner un % d’avancement dans la possibilité que la fusion produise de l’énergie pour nous et nos enfants, ce serait quoi ?

Très bonne observation. L’idée d’utiliser la fusion pour générer de l’énergie est née dans les années 1920 après qu’Eddington ait suggéré que l’énergie des étoiles provenait de la fusion nucléaire de l’hydrogène en hélium. Les recherches ont vraiment démarré après la fin de la deuxième guerre mondiale mais sont restées confidentielles jusqu’en 1958 où les recherches ont été déclassifiées et où la conférence Atoms for Peace à Genève a permis aux chercheurs de comparer leur résultats- et ils étaient tous très loin du compte. Un tournant se produit en 1968 quand une équipe de chercheurs russes (soviétiques à l’époque) annonce avoir produit pour la première fois des températures ‘thermo-nucléaires’, de l’ordre du million de degrés dans une machine appelée tokamak.

Les chercheurs occidentaux avaient des doutes car d’une ils n’étaient pas aussi avancés et les mesures avaient été faites avec des systèmes peu précis. En pleine guerre froide, une équipe de chercheurs britanniques se rend à Moscou avec un système de mesure laser et confirme les mesures des soviétiques. C’est là que le gros engouement commence. Le tokamak devient la machine de référence et de nombreux projets sont lancés avec des machines de plus en plus puissantes. On croit alors que la fusion deviendra une réalité rapidement et on voit fleurir des articles très optimistes dans la presse annonçant l’énergie de fusion pour 10-20 ans plus tard.

le Tokamak pour la fusion
Le tokamak ITER. Vue (CAD) d’ensemble du cryostat et des éléments internes

La crise pétrolière de 1973 justifie d’investir dans les nouvelles énergies et la fusion en profite. Les projets de grosses machines comme le TFTR à Princeton et JET à Oxford sont lancés et suscitent beaucoup d’espoir car ils sont pensés comme pouvant atteindre le ‘breakeven’, le point où la puissance produite et injectée sont égales. Au moment où j’écris ces lignes, cela fait tout juste 36 ans que JET a été inauguré par la reine Elizabeth II et le président Mitterrand. Cependant c’est aussi l’époque où les déceptions s’accumulent, on s’aperçoit que le plasma est beaucoup plus turbulent qu’on ne le pensait… Ces difficultés et la chute des prix du pétrole tarissent l’enthousiasme initial même si les recherches continuent et les progrès sont constants – mais plus lents qu’escomptés… L’idée d’ITER naît cependant en 1985 lors du super-sommet entre Gorbatchev et Reagan à Genève. Les deux superpuissances cherchent des sujets de collaboration et l’idée de développer un réacteur de fusion nucléaire est poussée par un académicien soviétique proche de Gorbatchev. ITER est né, du moins conceptuellement, il y a 35 ans…

Difficile de donner un paramètre permettant de mesurer l’avancement. Une façon de le voir à mon sens est de se dire qu’ITER doit démontrer si oui ou non la fusion a une chance de devenir une méthode de production d’énergie. Nos modèles, testés sur les machines actuelles, montrent qu’ITER doit atteindre son objectif mais l’histoire de la fusion (et des sciences en général) démontre que des surprises sont toujours possibles. Si ITER échoue, c’est-à-dire si on ne parvient pas à générer plus de puissance qu’on en injecte, j’imagine mal, surtout au vu de l’évolution du monde d’ici là, les recherches se poursuivre. Si cela réussit, il s’agira alors de passer à un démonstrateur et ensuite à un réacteur.

Mais on voit tout de suite qu’on parle d’échelles de temps très (trop diront certains) longues. ITER doit démontrer la fusion après 2035. L’Europe prévoit que DEMO produise de l’électricité dans les années 2050. On peut débattre pendant des heures, mais compte tenu des incertitudes climatiques mais aussi sociétales (nous sommes en pleine crise sanitaire, qui débouchera sur une crise économique quasiment sans précédent) il est difficile de savoir quel sera l’avenir de la fusion. Il faut aussi mentionner que la fusion a fait des progrès considérables : si on considère ce qu’on appelle le triple-produit qui caractérise les performances d’une machine, il a progressé entre 1970 et le milieu des années 1990 à un rythme plus rapide que la célèbre loi de Moore !

La loi de Moore et la fusion nucléaire
La loi de Moore

Et ITER,  où en êtes-vous ? Es-tu confiant sur cette deadline de 2025 ?

Question piège 😉

La construction avance bien, le génie civil est bien avancé et on va bientôt (dans les semaines qui viennent) démarrer officiellement la phase d’assemblage de la machine. Beaucoup des systèmes auxiliaires sont déjà prêts ou bien avancés. Les gros composants comme les bobines magnétiques (qui font 16m de haut et pèsent 360 tonnes chacune) commencent à arriver et les livraisons vont s’enchaîner. L’objectif est d’avoir un premier plasma fin 2025. Ça sera principalement un test montrant que les principaux systèmes fonctionnent et qu’on peut lancer la deuxième phase d’assemblage pendant laquelle on installera les systèmes de chauffage, la couverture interne qui protège la chambre à vide et permet d’évacuer la chaleur produite, les systèmes de diagnostiques etc.

La première ‘vraie’ campagne expérimentale démarrera vers 2028. Le but est de démarrer les opérations de fusion vers 2035. Pourquoi si longtemps entre les deux ? Assez rapidement le plasma dans ITER a suffisamment d’énergie pour sérieusement endommager les composants internes en cas d’erreur ou de disruption- une instabilité qui fait perdre le confinement du plasma, au point même de provoquer une fuite d’eau qui nécessiterait une longue intervention. On doit donc monter gentiment en puissance, vérifier que tout se passe comme on le pensait, valider nos modèles etc. Il y a beaucoup de recherche scientifique pendant ces années, on attend des effets qu’on ne peut observer dans les machines actuelles.

Suis-je confiant ? En fait il faut savoir que le planning d’ITER ne contient aucune marge. Il a été défini comme le planning techniquement possible si tout se passe bien. ITER est un projet international avec 35 pays impliqués et gérer les contributions de ces différents pays est très complexe avec le risque que les marges dans le planning soient utilisées différemment par différents partenaires- d’où le choix de ne pas en avoir. C’est un objectif ambitieux et le planning de référence a été défini en 2016. Tenir un planning sur une période aussi longue est évidemment un défi (les événements actuels nous rappelant l’importance des imprévus) ! On met tout en œuvre pour être au rendez-vous.

QUELS SONT LES PRINCIPAUX OBSTACLES AU PROJET ?

Je ne sais pas si j’utiliserais le mot obstacle mais il y a de très nombreux défis à relever. Il y a tout d’abord la fabrication et l’assemblage du tokamak. Beaucoup des composants d’ITER sont massifs et sont des ‘first-of-a-kind’ c’est-à-dire qu’ils n’ont jamais été faits auparavant. Il a donc fallu développer des techniques de fabrication spécifiques. Si on prend l’exemple des bobines magnétiques, les bobines toroidales (il y en a 18) font 16m de haut et 9m de large et pèsent chacune 360t. Les tolérances de fabrication et d’assemblage sont inférieures au millimètre. Pour les bobines poloidales, les 2 plus grandes font 25m de diamètre, une taille telle que les transporter par la route jusqu’à Cadarache était prohibitif. Une usine d’assemblage a donc été installée sur site !! Il est extrêmement important que les tolérances soient respectées car la structure magnétique doit être la plus parfaite possible.

Au niveau scientifique, le plasma est par nature instable. Il faut imaginer que le centre du plasma est à une température de 150 millions de degrés quand la paroi métallique 2m plus loin est à 400 degrés, ce qui représente un gradient énorme qui n’est observé nulle part dans l’univers. Ces très fortes différences donnent lieu à beaucoup de turbulences qu’il faut parvenir à contrôler. Pour ceux qui ont déjà vu des images d’éruption solaire, cela donne une idée de ces phénomènes- même s’ils sont beaucoup plus rapides dans un tokamak. Le plasma dans ITER a suffisamment d’énergie pour endommager la paroi interne et contrôler ces instabilités est donc primordiale. C’est un domaine de recherche très actif de comprendre ces instabilités, de les détecter et d’atténuer leurs effets si elles se produisent.

Il y a aussi des difficultés plus politiques. ITER est un projet à très longue échelle de temps, et la fusion a une échelle de temps encore plus grande. Sachant que les mandats électoraux sont en général beaucoup plus courts, et qu’un projet d’une telle envergure a besoin d’un soutien constant, les changements politiques peuvent poser quelques difficultés.

Quels sont les principaux risques que vous pourriez rencontrer ?

Un très gros risque serait en effet qu’un partenaire décide de se retirer du projet. ITER est financé d’une façon assez singulière. 90% des contributions sont ‘en nature’ ; les différents pays s’engagent à fournir des composants pour le projet. Ils fournissent aussi de l’argent mais c’est une minorité de leur contribution. Si un pays se retire, le problème est donc financier mais surtout logistique. Le projet est régi par un traité international qui précise que les pays membres doivent respecter leurs engagements même s’ils se retirent. En pratique… La période qui s’annonce et l’amplitude de la crise économique pourraient matérialiser ce risque. Qui sait ?

Il existe des risques techniques, notamment ces instabilités dont on parlait juste avant. Nous devons démontrer être capable de les contrôler si l’on veut pouvoir opérer à pleine puissance.

J’ai vu dans une de tes conférences que tu évoquais le triptyque Time/Scope/Money. Compte tenu de la timeline du projet ITER, est-ce que les régulateurs/politiciens peuvent faire quelque chose pour accélérer le développement ?

Au point où nous en sommes, où l’assemblage de la machine a débuté et où les livraisons de composants s’enchaînent, il est difficile de voir comment les choses pourraient être accélérées. Par contre pour les phases suivantes, le planning a été défini selon le budget annuel que les membres voulaient allouer. On pourrait donc accélérer les phases suivantes, pour avoir l’ensemble des systèmes plus tôt et accélérer la phase d’opérations deuterium-tritium, celle qui doit voir la production nette d’énergie. Pour cela, il faudrait une volonté politique plus forte.

Imaginons que nous rassemblions les meilleurs spécialistes de la planète,  que le budget soit illimité, et que les planètes s’alignent. Est-ce que cela changerait vraiment les choses ?

Pour ITER un peu, pour la fusion alors là oui. ITER utilise le principe du tokamak qui est une possibilité pour confiner le plasma. Il existe d’autres configurations possibles (le stellarator par exemple) mais aussi des variantes du tokamak qui pourraient être testées en parallèle. Les simulations se sont beaucoup améliorées ces dernières années- les plus sophistiquées nécessitent une très grosse capacité de calcul- au point qu’on pourrait avec des moyens illimités développer plusieurs approches en parallèle guidées par ces simulations. On pourrait aussi accélérer les recherches sur les nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température qui pourraient en principe aider à faire des tokamaks plus compacts et donc plus rapides à construire. Il est difficile de dire combien de temps il faudrait alors pour démontrer la fusion mais on irait certainement beaucoup plus vite.

En fait il est intéressant de renverser la question. Vers la fin des années 1970, plusieurs scénarios de financement avaient été étudiés aux USA pour voir leur impact sur la vitesse de développement de l’énergie de fusion. L’un de ces scénarios était appelé « fusion never » et définissait le budget sous lequel la fusion n’arriverait jamais. Depuis 1980 le budget américain pour la fusion est constamment sous ce niveau…

Vue générale du site ITER, Mars 2020

Il y a quelques mois, je me suis documenté sur la fission nucléaire, pour comprendre quelles étaient les matières primaires pour que cela fonctionne. Sauf erreur de ma part, ce n’est pas du tout la même chose pour la fusion. Peux-tu nous donner quelques précisions sur les matières ? Sur leur stock mondial, et les années d’exploitation avant de ne plus en avoir ?

La fusion telle que développée dans ITER utilise 2 isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium. Le deuterium se trouve naturellement dans l’eau (avec une abondance de 1 sur 6500). Le tritium est radioactif avec une durée de demi-vie de 12.3 ans. Il n’en existe quasiment pas à l’état naturel. Il est par contre produit dans les réacteurs de fission et notamment les réacteurs de type CANDU qui utilisent de l’eau lourde comme modérateur. Ce sera la source de tritium pour ITER.

Pour de futurs réacteurs, il va être nécessaire qu’ils soient des surgénérateurs de tritium c’est-à-dire qu’ils devront produire plus de tritium qu’ils n’en consomment. Le tritium peut être produit en capturant les neutrons produits pas la réaction de fusion dans une couverture contenant du lithium. Les combustibles pour la fusion sont donc le deutérium et le lithium. En ne comptant que les sources terrestres (on peut les extraire de l’eau de mer), et en supposant que la fusion produise une fraction conséquente de nos besoins énergétiques, il y a assez de lithium pour plusieurs centaines d’années. Si on considère les ressources marines, on commence à parler en centaine de milliers d’années. Bien sûr il faut aussi des métaux pour construire les réacteurs, des matériaux supra-conducteurs, etc.

Niveau méthodologie de projet, il y a comme partout des spécifications.  Peut-on parler, même pour un projet de fusion nucléaire, de Cycle en V, ou d’agilité ?

Il faut tout d’abord préciser qu’ITER est une installation nucléaire au même titre qu’un réacteur, et est soumis au contrôle de l’Autorité de Sûreté Nucléaire, ce qui implique que le design de certains composants- ayant une importance pour la sûreté de l’installation- ne peut être modifié qu’après itération avec l’ASN, ce qui impacte le processus. On est donc sur une méthodologie de cycle en V, même si les spécifications peuvent parfois changer au cours du temps pour prendre en compte des développements scientifiques importants. Comme d’autres méga-projets, les interfaces entre systèmes sont extrêmement importantes.

On utilise donc les méthodes de l’ingénierie système, utilisées également dans le spatial, permettant de s’assurer que les exigences sont propagées correctement à tous les sous-systèmes. Une difficulté d’ITER est que la construction, du génie civil notamment, a été lancé alors que le design n’était pas complet- et c’est encore le cas car différents systèmes ont différents niveaux de maturité selon la date à laquelle ils sont nécessaires. Les systèmes les moins « mûrs » sont donc contraints par les systèmes déjà en phase de fabrication. On profite aussi du retour d’expérience acquis pendant le prototypage, la fabrication, la livraison ce qui permet d’adapter constamment le planning aux retards éventuels et aux possibilités d’accélération offertes par d’autres systèmes. Il y a donc aussi une certaine agilité.

Le progrès informatique pourrait-il changer la donne ? Je pense entre autres au HPC, ou au deep learning que nous avons déjà évoqués ensemble ?

Pour le HPC (High Performance Computing) oui clairement. Un plasma de fusion est un système très complexe et non-linéaire qui implique des effets avec des échelles spatiales de temps et d’espace extrêmement variées. Simuler un plasma de la taille d’ITER demande une puissance de calcul colossale, des simulations de type gyro-cinétiques ont tourné pendant plusieurs semaines sur le super-calculateur d’Oak Ridge pour simuler quelques dizaines de millisecondes d’un plasma d’ITER. Il y a beaucoup de travaux pour passer à l’exascale et la fusion, tout comme les simulations de climat, est un système parfait pour ces nouvelles puissances de calcul. On voit aussi se développer des simulations de plus en plus performantes en science des matériaux permettant de développer des matériaux plus résistants aux énormes flux de neutrons dans un réacteur de fusion.

Pour le deep learning, c’est un débat dans le domaine du contrôle des disruptions. Il y a des résultats très intéressants sur des tokamaks existant pour développer des algorithmes de détection des disruptions avec des approches machine learning. Cependant, savoir si ce type d’approche est transposable d’un tokamak existant à une nouvelle machine est une grosse incertitude- car notre compréhension de la physique des instabilités est encore incomplète. Je ne suis pas un expert dans ce domaine mais j’observe que c’est un sujet de forte controverse entre les chercheurs travaillant sur ces problématiques.

Et une autre discipline ? Quelque chose te vient en tête ?

Les matériaux ! Que ce soit pour les matériaux de l’enceinte ou les matériaux supraconducteurs il y a clairement des développements extrêmement intéressants qui pourraient être des ‘game changer’. La qualité du confinement d’un plasma de fusion dépend directement de l’intensité du champ magnétique que l’on peut générer, la puissance de fusion dépend du champ magnétique à la puissance 4 (doubler le champ multiplie la puissance fusion par 16). Dans ITER le champ magnétique sera de 5.3 Teslas, le maximum possible avec les supraconducteurs que l’on utilise- les bobines sont alors refroidies à -269 degrés (par de l’hélium liquide). Le développement de supraconducteurs opérant à plus haute température pourrait augmenter le champ magnétique ouvrant la voie vers des réacteurs plus compacts qu’ITER. C’est la voie empruntée par la start-up CFS qui est un spin-off du MIT. Il y a cependant des limites : diminuer la taille de la machine pour une puissance donnée augmente les contraintes thermiques sur les composants- ce qui représente déjà un défi dans ITER. C’est en tout cas un domaine où les progrès sont très rapides.

Au niveau des matériaux, les recherches sont très actives pour développer des matériaux plus résistants à des flux de chaleur très élevée ou plus résistants aux flux de neutrons. On peut citer 2 exemples. Les alliages à haute entropie ; des expériences très prometteuses ont été réalisées ces 2-3 dernières années montrant que ces matériaux sont très résistants à l’irradiation. Ce n’est que le début mais c’est prometteur. Dans un tout autre registre, certains groupes de recherche étudient la possibilité d’utiliser des métaux liquides pour faire face au plasma- étant liquides ces métaux ne craignent pas l’endommagement et se régénèrent constamment. Le sujet n’est pas nouveau mais a regagné en intérêt ces dernières années avec des concepts très intéressants.

Bobine toroïdale fabriquée en Europe. ITER utilisera 18 aimants supraconducteurs de ce type. Chaque aimant fait ~16m de haut et pèse environ 360t

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Parlons un peu politique, et finance. ITER est un projet public. Peux-tu nous dire s’il y a d’autres grands projets publics similaires dans le monde ? Même si certains ne sont peut-être pas internationaux ?

Il existe de nombreux projets de recherche internationaux, on peut penser au LHC (Large Hadron Collider) qui a découvert le boson de Higgs, ou à la station spatiale internationale par exemple. ITER est unique dans son organisation et surtout dans son financement comme expliqué plus tôt.

Y a-t-il des projets privés sur la fusion ? Où en sont-ils ? Sont-ils différents ? Ils sont beaucoup moins transparents j’imagine.

Il y en a beaucoup !! On en recense environ 27 même si pour certains projets il est difficile de savoir s’ils sont actifs ou non. Ils sont majoritairement aux USA, on pourrait y voir le cliché de l’esprit entrepreneur américain, mais il y en a en Europe notamment en Angleterre et en Espagne. Certains projets sont très peu transparents et ne publient rien ou presque quand d’autres publient régulièrement dans des revues à comités de lecture. Certaines initiatives sont très bien financées comme TAE ou CFS, d’autres sont quasiment des projets dans un garage. Chacun de ces projets ou presque travaille sur un concept différent. Il est vraiment difficile de se faire une idée claire du devenir de ces différents projets. Ils partagent tous l’ambition d’aller beaucoup plus vite qu’ITER et celle de développer un réacteur dans un futur très proche. On peut remarquer que même si certains projets sont bien financés, aucun n’a pour l’instant un design de réacteur ou n’a démarré la procédure d’obtention de licence nucléaire.

J’ai vu des papiers passer qui parlent de Bill Gates, Bezos.. qui investissent dans la fusion. En marge des laboratoires, il y a des start-up qui poussent : au MIT le Commonwealth Fusion Systems, les laboratoires de Lawrence Livermore travaillent sur Zap Energy, à Washington, CTFusion… Renaissance Fusion en Espagne, Marvel Fusion en Allemagne. Quel est ton avis sur ce marché ? Qu’apporte-t-il de différent ?

Comme je viens de le dire c’est un peu compliqué d’avoir un avis sur toutes ces initiatives car certaines sont très discrètes. Mais des fonds d’investissement abondés par Jeff Bezos ou Bill Gates se sont en effet engagés pour soutenir certaines start-up. On pourrait se demander pourquoi autant d’entreprises privées se lancent dans la fusion alors que la recherche ‘traditionnelle’ n’a toujours pas montré que produire de l’énergie était possible. J’y vois au moins quatre raisons.

L’urgence climatique et le besoin impérieux de décarbonner la production d’énergie. Même si la fusion arrivera à mon avis bien trop tard pour ça- on a discuté des échelles de temps lors d’une précédente question- la perspective de développer une énergie ‘propre, abondante et sûre’ (aucune énergie n’est propre mais c’est une autre question) attire forcément l’intérêt. La plupart de ces entreprises font d’ailleurs référence au climat sur leurs sites web et annoncent des développements très rapides.

ITER est maintenant une réalité. Le projet avance, la machine se construit, différents pays pensent à l’étape d’après avec des plans sérieux pour des réacteurs, cela donne une impression de confiance. Mais ces progrès sont lents, créant une frustration légitime qui motive à essayer des routes parallèles pour accélérer les choses.

L’abondance des capitaux- écrire ça en plein milieu de la crise du Covid19 paraît déplacé  – mais c’est pourtant le cas, il y avait énormément de capitaux disponibles jusqu’à récemment. Les taux d’intérêt étaient bas et les investisseurs étaient à la recherche de technologies ‘disruptives’ dans lesquelles investir. Quoi de plus disruptif qu’une énergie aussi prometteuse que la fusion ? La fusion est un investissement de type ‘high risk/high pay-off’ qui attire les investisseurs, sans doute impressionnés par la caution scientifique- un grand nombre de ces projets ont été initiés par des physiciens ; dans certains cas par des physiciens très respectés dans le domaine. C’est le cas de CFS qui a été créé par des physiciens du MIT et qui collabore de façon très étroite avec leur centre de recherche en physique des plasmas.

Les progrès récents dans le domaine des supra-conducteurs pour la fusion par confinement magnétique ou dans le domaine des lasers pour la fusion inertielle, ou dans le domaine de la fabrication (impression 3D) sont autant de technologies qui permettent de justifier une approche différente d’ITER.

Que penses-tu de l’association de la fusion, constituée en 2018 ? Y a –t-il une régulation sur la fusion, des contraintes réglementaires à respecter ? Type ASN pour le nucléaire.

Je pense que tu fais référence à la Fusion Industry Association qui est un regroupement des différents acteurs privés du domaine. C’est intéressant car cela montre qu’une industrie est en train d’émerger et cela permet à ces entreprises d’avoir une influence plus importante dans les discussions sur l’énergie et le financement de la recherche. Il y a notamment des financements publics aux US dédiés à ces projets (Advanced Research Projects Agency-Energy) et des financements du département de l’énergie américain qui visent à permettre des collaborations entre les laboratoires nationaux et certaines entreprises fusion.

Concernant la régulation, les lois nationales doivent être respectées quand il s’agit de nucléaire. ITER est la première installation de fusion qui a passé l’épreuve de la licence nucléaire. Il y a donc beaucoup à apprendre de cela même si chaque pays a ses propres règles.

Qu’est-ce qui explique un engagement si faible des américains, alors qu’ils sont parmi les pays les plus consommateurs d’énergie au monde ?

La répartition des contributions à ITER est de 9% pour chaque état membre et 46% pour l’Union Européenne. L’UE est le plus gros contributeur car c’est l’état hôte mais aussi car les négociations pour l’obtention du projet ont été très difficiles : le Japon et l’Europe étaient les deux derniers candidats en lice.

Les USA contribuent donc à part égale avec les autres partenaires- même si cette portion est faible par rapport au total. On peut d’ailleurs remarquer que la France en tant que pays hôte contribue quasiment au même niveau que les US ou la Russie.

On entend peut-être plus parler de la contribution américaine car ils ont menacé il y a quelques années de quitter le projet- ils étaient très frustrés par les retards et la gestion du projet. Et la situation reste plutôt tendue avec des budgets alloués à ITER et à la fusion qui fluctuent beaucoup d’une année à l’autre. Quand le projet a été lancé, la communauté fusion américaine avait eu l’assurance que le budget d’ITER ne serait pas pris du programme national. Mais il s’est rapidement avéré que cette promesse n’était pas tenue. A mesure que les coûts augmentaient une grosse frustration s’est installée dans la communauté, alimentée par la fermeture du tokamak Alcator C-Mod qui était installé au MIT.

Deux sénateurs démocrates, notamment Dianne Feinstein sénatrice de Californie, ont poussé une offensive assez forte contre ITER afin d’obtenir le retrait américain. Il est assez amusant (pour un non-américain) de constater que les républicains étaient plus favorables au projet que les démocrates. Il y eut plusieurs auditions du Directeur-Général d’ITER devant le congrès où il a dû justifier des progrès et convaincre qu’il était dans l’intérêt des US de rester. L’Académie des Sciences a été chargée de proposer un plan pour les 10 ans à venir et d’étudier la pertinence pour les US de rester dans le projet. La conclusion fut que oui, participer au projet apportera beaucoup aux US d’un point de vue technique et scientifique. Je finirai en faisant remarquer qu’ITER est le type de projet que les américains n’aiment pas. Ce n’est pas sur leur sol, ils n’ont pas le contrôle et les échelles de temps sont très longues.

Peux-tu nous donner des détails sur l’implication de la Russie ? Corée ? De l’Inde ? C’est comment de travailler avec autant de cultures ? Par expérience, je vois le russe un peu plus direct et rentre dedans que le japonais. Tu valides cet affreux cliché ?

Les différents pays produisent tous des composants pour ITER selon le partage décidé au début du projet ; et en s’assurant que les contributions sont équitables.

Mais tu soulignes un point très important du projet : le melting pot culturel ! 35 nationalités sont présentes à ITER avec des cultures de travail très différentes. C’est très enrichissant. Effectivement, sans vouloir tomber dans le cliché on voit des tendances différentes selon les nationalités. On retrouve un peu le modèle de Lewis pour les façons d’agir. Ce qui est encore plus intéressant est de voir que ces tendances évoluent au fur et à mesure du temps passé dans l’organisation. Une culture de projet mais surtout une culture humaine se développe.

Qu’est-ce qui coûte cher dans la fusion aujourd’hui ? As-tu le détail, un breakdown ? Entre les matériaux, les salaires des employés… 

Je n’ai pas vraiment de breakdown. Le coût du projet est une question assez complexe. Non pas que je ne veux pas répondre mais à cause de la façon dont le projet est organisé. Les pays membres doivent fournir des composants pour le projet, à eux de gérer les coûts associés. On imagine assez facilement que produire une bobine supraconductrice en Chine et en Europe ne représente pas le même coût.

ITER est une expérience scientifique. Les composants sont complexes, construits pour la première fois et sont donc chers. Pour ITER le coût principal est donc au niveau des composants, de la construction, des contrats.

La fusion sera prête quand la société en aura besoin

J’ai vu à travers différents échanges que tu t’intéressais beaucoup à la sociologie. Tu citais, entre autres, Fressoz et Farriges. J’aimerais qu’on parle d’une notion qui me tient à cœur : la décroissance. Quelle est ta définition de la décroissance ?

Je ne parlerai que du domaine que je connais le mieux, celui de l’aspect énergétique qui au final est intimement lié à l’aspect économique. Nos sociétés sont vouées à tenir compte d’une contrainte énergétique qu’elles avaient réussi à contourner par l’utilisation de combustibles fossiles abondants et relativement faciles à extraire- au début tout au moins. S’y ajoutent les contraintes climatiques et environnementales qu’on ne peut plus ignorer. Or environ 80% de notre énergie primaire provient encore de combustibles fossiles- ce pourcentage ayant très peu évolué sur les 30 dernières années.

Le mythe de la transition énergétique qui nous verrait tourner le dos aux combustibles fossiles en faveur d’autres sources d’énergies qu’elles soient ‘renouvelables’, nucléaires ou autres, dans les 30 prochaines années se heurte à l’observation de l’histoire des énergies : sur les 200 dernières années il n’y a jamais eu de réelle substitution d’une source d’énergie pour une autre mais un empilement global où une nouvelle source d’énergie vient s’ajouter aux autres. C’est un sujet sur lequel j’ai écrit un peu récemment et qui fait l’objet de conférences. De plus, le déploiement de nouvelles énergies n’est jamais un processus linéaire et rapide mais dépend de volontés politiques, du contexte économique et de développements techniques. La machine à vapeur n’a pas remplacé instantanément la force animale ou l’utilisation de moulins à vent car initialement son rendement était mauvais et l’accès au charbon n’était pas l’apanage de tous les pays.

Le taux de retour énergétique des fossiles baisse, les réserves aussi (il est possible que le pic tout pétrole de Novembre 2018 ne soit jamais égalé), il nous faut limiter notre consommation, il est donc quasiment certain que nous entrerons (si ça n’est pas déjà fait) dans une période de décroissance énergétique où l’énergie sera moins abondante, ce qui impactera sans aucun doute l’économie et limitera nos moyens d’actions. On peut même se poser la question de la faisabilité de la transition énergétique dans un contexte de décroissance énergétique- déployer de nouveaux moyens de production énergétique requiert de l’énergie fossile (puisque c’est notre source dominante) et plus le temps passe plus notre capacité à en obtenir diminue. Produite de l’acier, extraire des minerais, les transporter, tout cela se fait grâce aux combustibles fossiles. On pense souvent à l’électricité quand on parle d’énergie- voir les débats houleux en France- sans prendre la mesure de l’importance des fossiles pour les transports, l’agriculture et l’industrie. Diminuer notre dépendance implique de profonds changements dans nos manières de vivre et de considérer notre rapport au monde…

Savoir si cette décroissance sera lente et progressive ou rapide et brutale est difficile- la crise actuelle ayant le potentiel par exemple de redistribuer les cartes en condamnant à court terme une partie non-négligeable de la production de pétroles et gaz dits ‘non-conventionnels’ qui n’étaient déjà pas rentables avant la récente chute des prix. La relance économique à venir risque donc bien de se heurter rapidement à la limite énergétique. Est-ce une bonne nouvelle pour le climat ? Cela reste à démontrer car on peut craindre une augmentation de l’utilisation du charbon qui est assez peu cher à produire et abondant.

On pense souvent à la décroissance du point de vue économique, mais la décroissance énergétique doit être anticipée- ou au moins prise en compte- car changer une infrastructure énergétique prend beaucoup plus de temps que ce que les récits de type Green New Deal ne laissent penser.

Je crois avoir compris que tu voyais la fusion comme une partie du mix énergétique, et que nous devions tendre vers la sobriété. Tu es plutôt d’accord/pas  d’accord avec cette vision ?

Je pense, en effet, que nous sommes voués à devoir composer avec la fin de l’abondance énergétique qui a caractérisé notre développement récent. La sobriété sera voulue ou imposée. Je ne vois personnellement pas comment substituer totalement les combustibles fossiles, donc 80% de notre énergie primaire, par une autre forme d’énergie. Si on pense à l’électricité par exemple, elle ne permet pas les mêmes usages que le pétrole. La densité énergétique des batteries est trop faible- et il faudrait qu’elle augmente énormément- pour envisager faire un vol transatlantique dans un avion électrique.

De même, produire de l’acier (on en produit environ 1.6 milliards de tonnes par an !) à partir de minerai de fer brut est pour l’instant impossible à l’échelle requise avec autre chose que du charbon (du coke pour être précis). Il paraît donc logique de considérer que nous dépendrons encore d’un mix énergétique dans le futur- comme nous l’avons toujours fait. De quoi sera-t-il composé est une question délicate car, on le constate tous les jours, avoir des discussions posées sur l’énergie est complexe, les positions de principe prenant souvent le pas sur les arguments raisonnés. On a rapidement tendance à penser en termes globaux plutôt que de considérer la diversité des pays et de leurs potentiels énergétiques.

En supposant que la fusion arrive sur le marché dans la deuxième moitié du siècle, elle arrivera en principe dans un système énergétique qui devrait être bien différent de celui que l’on connait actuellement. Si on regarde les concepts de réacteur de fusion, on constate aussi qu’ils utilisent des technologies assez pointues et ils seront donc réservés au début aux pays qui peuvent mettre en œuvre ces technologies.

Question un peu plus philosophique : le problème de l’énergie n’est-il pas son utilisation plutôt que sa production, et si oui, la fusion ne serait-elle pas alors plutôt un problème qu’une “solution” ?

Oui, si on considère les pays ‘riches’ ou ‘développés’, il est clair que nous utilisons l’énergie de façon totalement irrationnelle. On peut citer plusieurs exemples. Le transport de marchandises est assez frappant. 80-90% du transport de marchandises dans le monde (environ 10 milliards de tonnes…) se fait par la mer. Le transport maritime représente plus de 3% des émissions de CO2 globales. On achète des vêtements dont le tissu est fait en Malaisie, les boutons au Bangladesh ; et l’assemblage se fait dans un autre pays. Est-ce vraiment rationnel ? L’aviation en est un autre ; on peut voyager d’un bout à l’autre de l’Europe pour moins de 50 euros – ce qui ne représente en rien le coût réel de l’impact environnemental qu’a ce type de transport. Un dernier exemple, on estime qu’un tiers de la nourriture produite dans le monde est jetée alors que la produire demande de très grandes quantités d’énergie, que le taux d’obésité explose dans les pays développés et qu’une partie de la population mondiale souffre de la faim.

On parlait de Fressoz et Farrige avant, il est intéressant de remarquer que la question de la finitude des ressources et de la nécessité de les utiliser de façon rationnelle date de l’époque à laquelle on a commencé à développer l’utilisation du charbon. Le débat existe toujours même si on s’est engagé dans la voie d’une utilisation toujours plus importante d’énergie, pour des usages dont l’utilité et l’intérêt sont plus que discutables. Le problème auquel il va falloir faire face est que les pays en développement vont augmenter leur consommation énergétique- l’énergie et le développement étant fortement liés jusqu’à un certain niveau- et que les pays développés n’ont aucun argument concret à opposer puisqu’ils se sont développés de la même façon. Comment demander à la Chine de diminuer son empreinte carbone quand une grande partie résulte de l’externalisation de la production des objets que nous achetons en masse ?

Si la raison d’être de la fusion, mais c’est valable pour toute source d’énergie, est de permettre de conserver nos niveaux de consommation actuels, avec tout ce que cela implique, alors oui parler de ‘solution’ paraît assez paradoxal. Ceci étant dit, je pense que nous aurons toujours besoin de moyens de production d’électricité centralisés et continus car certains usages s’accommodent très mal d’une forte intermittence. Mais c’est aussi un choix de société- un moyen de production d’énergie n’est qu’un outil pour soutenir ou développer un type de société. Il est tentant de débattre de l’intérêt ou des limites de telle ou telle technologie à la lumière de notre société thermo-industrielle mais est-ce vraiment le type de modèle qu’on veut conserver ? La question est évidemment un peu provoc mais mérite d’être posée.

Est-ce que tu penses que la littérature peut t’apporter un plus dans ton travail de tous les jours ? J’imagine qu’en tant que coordinateur scientifique, gérer l’humain, c’est une grande partie de ton travail ?

Mon travail consiste en grande partie à coordonner des recherches dans différents endroits pour répondre à des questions importantes pour ITER. Cela se fait principalement par des collaborations plutôt que par des contrats de recherche pour lesquels on financerait directement les labos- principalement (et ça peut paraître paradoxal au vu du coût du projet) car nos budgets de recherche sont très limités. Il faut donc réussir à motiver les gens à travailler sur une question donnée qui peut influer sur le design d’un système. Savoir motiver les gens, les convaincre de consacrer leurs efforts sur tel ou tel sujet requiert de savoir convaincre mais aussi de créer et de maintenir des relations entre les gens. Je travaille dans la division Science du projet et notre rôle est de faire l’interface entre la communauté scientifique et le projet, de s’assurer que les chercheurs travaillant dans différents labos se sentent impliqués dans le projet pendant sa phase de conception et de construction. Nous avons aussi régulièrement des étudiants et des post-doctorants que nous encadrons. La gestion des personnes est un aspect important de la recherche en général même si c’est souvent peu reconnu.

Je lis beaucoup et je m’intéresse à beaucoup de choses- souvent par phase, je vais lire tout ce que je trouve sur un sujet puis passer à autre chose. J’ai toujours été assez hermétique à l’hyper-spécialisation et je préfère avoir une vue plus généraliste mais aussi plus globale. Dans un projet multi-culturel comme ITER, il est important d’avoir un esprit ouvert et d’essayer d’apprendre des différentes cultures que l’on rencontre. Cela permet de discuter d’autres choses que de nos travaux respectifs. Les chercheurs sont des gens normaux- ou presque- il y a les fans de foot, de cuisine, des collectionneurs, des sportifs.

Allez, questions plus personnelles : comment garde-t-on le moral sur un projet qui au mieux verra le jour à sa retraite, au pire ne verra jamais le jour ? Qu’est-ce qui te motive tous les jours, en te levant le matin ?

C’est une question très personnelle en effet, mais qu’on me pose assez souvent après une conférence où je parle du projet. Tu parlais sociologie plus tôt, je pense que la fusion et les gens qui la font, feraient un très bon sujet d’étude.

Il est clair que travailler à ITER c’est travailler sur un projet qui si tout va bien atteindra son objectif dans plus de 15 ans. J’aurai alors 56 ans… Et il n’est pas impossible que je ne vois jamais un réacteur de fusion produire de l’électricité, même si la médecine fait des miracles 😉

J’ai traversé il y a quelques années une petite crise existentielle justement sur cette question des échelles de temps et de l’intérêt de mon métier au vu de l’urgence écologique et climatique. L’échelle de temps de la fusion est une question à laquelle tous les chercheurs du domaine sont confrontés un jour ou l’autre. On peut penser aux pionniers qui pensaient voir la fusion de leur vivant…  Comment rester motivé ? En se rappelant pourquoi on fait ça. J’ai la chance de pouvoir contribuer directement à l’un des plus gros projets scientifiques au monde, de pouvoir contribuer à démontrer enfin si la fusion peut être une source d’énergie pour l’avenir.

On va faire dans le cliché mais c’est un peu comme les gens qui concevaient les cathédrales. Ils savaient qu’ils ne les verraient pas terminées de leur vivant mais savaient aussi qu’ils contribuaient à quelque chose de grand et d’important. On peut penser que la fusion ne servira jamais à produire un seul kWh d’électricité, mais on ne peut nier que cela représente un défi scientifique passionnant. Je fais aussi beaucoup de vulgarisation scientifique (tu as vu certaines conférences je pense) et voir les regards passionnés de l’audience quand on leur explique la fusion me permet aussi de me relativiser. La fusion a souvent mauvaise presse, mais j’ai toujours eu de superbes expériences lors de conférences publiques même avec des audiences à priori plus rétives au sujet. 

A côté de mon travail j’essaie d’agir sur des problématiques plus proches en faisant de la vulgarisation mais aussi en ayant rejoint un think tank qui traite de la transition et qui est une très belle expérience.

J’ai vu qu’en plus de ton travail, des conférences… Tu aimais les trails !! Mais tu t’entraînes quand ? Tu as un frère jumeau ? Quel est le secret ?

Je fais en effet de l’ultra-trail (115km est ma plus longue distance pour l’instant), ce qui nécessite pas mal d’heures d’entraînement. Pas vraiment de secret, je dors peu, je pars m’entraîner tôt le matin quand ma famille dort encore, je profite de temps morts ici ou là pour aller courir. Passer de longues heures à courir me permet même de réfléchir à des problématiques liées à mon travail mais aussi plus générales. De très bonnes idées naissent parfois lors d’une nuit passée à courir dans la montagne. Le défi est de s’en souvenir à l’arrivée. Et l’ultra-trail est un peu une allégorie de la fusion, c’est très long, il y a des hauts et des bas, et il faut garder en tête l’objectif.

Etant curieux j’ai lu pas mal de bouquins sur l’histoire de la course à pied, les théories sur l’importance de la capacité humaine à courir longtemps dans son évolution et sur la nutrition. J’ai d’ailleurs fait une expérience de transition énergétique sur moi en testant différents régimes alimentaires pour voir leurs effets. On ne se refait pas…

Merci pour toutes ces réponses Greg. Voudrais-tu ajouter quelque chose que nous n’aurions pas abordé ?

J’espère convaincre tes lecteurs du côté passionnant de la fusion, qui reste un magnifique défi scientifique et technologique. On peut remarquer que la fusion apparaît souvent au cinéma- on peut penser à Spiderman 2 ou The Dark Knight Rises (avec Marion Cotillard vantant une énergie illimitée qui pourrait changer le monde) et que c’est une technologie qui fascine. Beaucoup de cerveaux s’activent pour en faire une réalité.

Pour finir peut-être sur un point abordé du modèle de société que l’on veut, je pense que c’est une question souvent négligée quand on parle énergie ou transition énergétique. Le changement est dur à initier si on ne sait pas vers quoi on tend, et il y a beaucoup à faire pour définir un futur souhaitable qui donne envie au plus grand nombre de le réaliser. On se concentre souvent sur les choses qu’on ne veut plus, peut-être qu’on devrait aussi réfléchir à celles que l’on veut. La fusion en fera-t-elle partie ? A suivre…


5eme photo d'iTER pour la fusion
L’usine cryogénique qui produira les 25t d’helium liquide permettant de refroidir les aimants supraconducteurs à -269 degres C
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