ntre s de fusion dans le mond e

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10
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3
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1
0
15
Bobinages dans le
champ toroïdal
Courant de plasma
Plasma
Champ de lignes
magnétiques
Champs magnétiques
dans un stellarateur
Le premier tokamak à l’Institut
Kurchatov (Fédération Russe)
Champs magnétiques dans un tokamak
Le Joint European Torus (JET),
Culham Science Centre, Royaume Uni
Le tokamak américain
DIII-D (General Atomics)
Les étapes importantes dans le domaine de la fusion
Le confinement magnétique
Dans cette approche de la fusion, appelée “confinement magnétique”, le plasma est maintenu loin
des parois grâce à des champs magnétiques de
grande intensité. Les particules constituant le
plasma et chargées d’ions positifs et d’électrons
négatifs, suivent des lignes de champs magnétiques. Le plasma est contenu dans une enceinte
en forme d’anneau, le “tore” où ces lignes de
champ magnétique forment des surfaces closes.
Les particules de plasma tournent, concrètement
sur des dizaines de milliers de kilomètres, sans
jamais se heurter à une paroi. Le plasma est ainsi
confiné dans cette “cage magnétique”.
Deux grandes familles de machines fonctionnent
de cette manière : les tokamaks et les stellarateurs. Il existe également d’autres configurations
magnétiques, par exemple les droites à miroir et
les tokamaks sphériques. Ce sont les tokamaks
qui ont jusqu’à présent permis d’obtenir les
meilleurs résultats.
Afin de produire un nombre suffisant de réactions de fusion dans un confinement magnétique, on a recours à des dispositifs externes
permettant d’atteindre la température requise.
On utilise pour cela différentes méthodes: les
micro-ondes, ou les faisceaux de particules. Une
fois le processus de fusion déclenché, on assiste
à la production d’un grand nombre de produits
de fusion ­– des noyaux d’hélium et des neutrons,
tous porteurs d’une grande quantité d’énergie.
Un plasma chaud
L’un des produits des réactions de fusion deutérium-tritium est le noyau d’hélium. Il transporte
20 % de l’énergie de fusion produite durant la
réaction sous la forme d’énergie cinétique. Étant
chargé électriquement, le noyau d’hélium est
confiné par les champs magnétiques et transfère
son énergie combustible (deutérium et tritium).
Ceci permet de chauffer le combustible. Si les
appareils sont suffisamment grands, ce processus
permet d’obtenir la température nécessaire à la
fusion, de manière quasiment autonome. Ce sont
ces conditions qui définissent ce qu’on appelle
un “plasma chaud”.
Mis à part les noyaux d’hélium, chaque réaction
de fusion produit un neutron transportant 80%
de l’énergie de fusion produite. Un neutron ne
possédant pas de charge électrique, il n’est pas
confiné par les champs magnétiques et pénètre
directement dans la “couverture” recouvrant les
parois du tore. L’énergie y est alors absorbée
et un fluide caloporteur est chargé d’extraire la
chaleur de la couverture. Tout comme dans une
centrale traditionnelle, ce fluide caloporteur est
transporté vers des échangeurs de chaleur qui
produisent la vapeur permettant d’entraîner des
turbines produisant ainsi de l’électricité. Cette
chaleur peut également servir à produire de
l’hydrogène.
Fusion inertielle
La fusion inertielle peut être obtenue selon
une autre méthode. Une bille de quelques mm
de diamètre, remplie de deutérium-tritium est
irradiée par plusieurs rayons laser d’une intensité extrême. L’implosion comprime la bille à tel
point que la température et la densité augmentent provoquant ainsi une réaction de fusion.
Le plus grand défi de la fusion inertielle est
d’obtenir une irradiation intense et homogène
des billes et ce, à haute cadence: dans un réacteur basé sur ce principe, 10 à 20 billes doivent
être brulées par seconde.
Une coupe du tore de JET,
montrant le plasma à droite
Les travaux de recherche en matière de fusion ont fait des
progrès énormes au cours des dernières décennies et ce, dans
le monde entier. On a beaucoup travaillé sur les tokamaks au
début des annés 70, ce qui a permis de concevoir les premières expériences avec le D-T. En 1991, les réactions de fusion contrôlée D-T ont été réalisées pour la première fois sur
terre, produisant une puissance de fusion de 1,7 MW. Cette
étape d’importance fut réalisée dans un tokamak construit
et exploité par des physiciens et ingénieurs originaires de
différents pays d’Europe, le Joint European Torus (JET) situé
près d’Oxford, Royaume Uni. En 1994, le tokamak TFTR aux
États-Unis a permis de produire jusqu’à 10 MW de puissance
de fusion. En 1997, le succès de JET s’est affirmé lorsqu’on a
dépassé la barre des 10 MW pendant quelques secondes avec
un maximum de 16 MW.
10
JET
(1997)
5
Q≈0.2
0
0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
JT-60U
Time (s)
Record mondial
d’énergie de fusion à JET
d
n
a
o
i
n
s
s
u
f
l
e
e
m
d
s
o
e
n
r
t
de
n
e
C
Ces résultats, ainsi que ceux obtenus par plusieurs tokamaks
dans le monde entier, ont contribué au développement d’une
grande connaissance scientifique et technique, ce qui permet
d’envisager le “next step”, Ce projet de tokamak appelé ITER
vise à produire une puissance de fusion de plusieurs centaines
de MW et une énergie dix fois supérieure à celle injectée
dans le plasma. ITER produira un plasma chaud – dans lequel
les réactions de fusion elles-mêmes maintiendront la température du plasma – dans des conditions similaires à celles
nécessaires dans des réacteurs électrogènes, tout en intégrant
les technologies fondamentales requises pour faire de la fusion
une source exploitable d’énergie.
Une option énergétique durable
La fusion est l’une des rares sources d’énergie durable que
l’humanité puisse envisager à long terme. Tout en offrant
l’avantage de fonctionner en toute sécurité et avec un
impact minimum sur l’environnement, elle ne comporte
aucune contrainte de disponibilité ni de repartition géographique de combustible. Une fois maîtrisée, elle sera en
mesure de jouer un rôle important dans la production
d’énergie de base, au côté d’autres filières énergétiques
répondant également à ces critères.
Le combustible pour la fusion
– pratiquement inépuisable
Une source d’énergie sans CO2
Il est urgent de réduire les effets de serre
afin d’éviter que l’environnement ne souffre
gravement du réchauffement du globe, d’une
modification du schéma des précipitations
et de la montée du niveau de la mer. La réduction de ces émissions pose un problème
qui doit être résolu rapidement et il est important de prendre des mesures radicales à
court et à long terme afin d‘éviter de graves
atteintes à l’environnement. Les réductions
stipulées par le Protocole de Kyoto ne
constituent qu’un premier pas.
Il s’agit d’éviter les changements climatiques,
en particulier grâce au développement et à
la mise en oeuvre de technologies énergétiques visant à minimiser les émissions de
gaz de serre. Un réacteur de fusion n’émet
pas de gaz de serre : la fusion est une des
rares sources d’énergie permanentes sur
une grande échelle qui pourrait jouer un
rôle dans la filière énergétique du futur. Du
succès du programme de recherche sur la
fusion dépend le rôle que pourra jouer la
fusion dans la seconde moitié de ce siècle.
D47
Pôle Sud
320
1980
Le deutérium et le tritium, les combustibles
de la fusion, sont les isotopes de l’hydrogène les plus lourds et les moins communs.
On trouve environ 33 g de deutérium par
m3 d’eau ce qui signifie qu’il est répandu de
manière équitable à la surface du globe et
que son exploitation n’est pas coûteuse. Le
tritium dont la durée de demi-vie est d’environ 12,3 ans est extrêmement rare dans
la nature car il ne peut être produit que
par l’action des rayons cosmiques. On peut
cependant le produire artificiellement dans
une centrale de fusion à partir de lithium,
1990
Pétrole
Énergie hydraulique
Gaz
La quantité de combustible nécessaire dans
un réacteur de fusion est très limitée. 100 kg
de deutérium (ce qui correspond à 2800 m3
d’eau de mer) et 150 kg de tritium (équivalant à 10 tonnes de minerai de lithium)
suffisent pour alimenter une centrale électrique de 1000 MW pendant un an. À titre
de comparaison, 2,7 millions de tonnes de
charbon seraient nécessaires pour alimenter
une centrale de charbon de la même taille,
pendant le même lapse de temps.
300
2000
Énergie nucléaire
280
Combustibles renouvelables et déchets
Évolution de la production mondiale
de combustible couvrant les besoins
primaires d’énergie
de 1971 à 2003 (Btoe). Source: IEA
Bien que le plasma chaud occupe un volume
important dans une centrale de fusion – 1000 m3
ou plus – la quantité totale de deutérium et de
tritium contenue dans le plasma est minime:
le combustible dans l’enceinte est à peu près
aussi lourd que 10 timbres. La quantité minime
de combustible réactif présent dans le plasma
joue un rôle primordial quant à la sécurité d’un
réacteur de fusion. Seule la petite quantité de
combustible nécessaire pour le fonctionnement de quelques secondes est injectée dans
la chambre de combustion. Cela signifie que les
réactions de fusion peuvent être interrompues
en quelques secondes si l’on coupe l’injection de
combustible, tout comme dans un brûleur à gaz,
ce qui permet un arrêt très rapide du réacteur,
en toute sécurité.
le lithium étant l’un des métaux légers que
l’on rencontre le plus souvent sur l’écorce
terrestre.
340
Mauna Loa
Une petite quantité de combustible
– un arrêt rapide
The “Next Step”, la prochaine étape
360
D57
Charbon
JET
(1991)
JG00.57/1c
Bobinages dans
le champ poloïdal
des installations
Fusion power (MW)
Q≈0.64
380
La difficulté de maintenir des conditions necessaries à l’existence d’un plasma signifie ainsi que la
fusion nucléaire est un procédé intrinsèquement
sûr: dès que les conditions requises ne sont plus
respectées, le processus de fusion produit moins
d’énergie, ou même s’arrête.
Des aspects de sûreté intrinsèques
Dans un réacteur, lorsque le plasma ne brûle pas,
l’énergie ne provient que de la désintégration
radioactive du matériau activé de la structure
entourant le plasma. Des études de sécurité
ont démontré que cette source d’énergie est
suffisamment faible pour qu’aucune élévation
critique de température de la structure ne soit
possible même lors d’une défaillance complète
et prolongée du système de refroidissement.
260
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Concentration de CO2 (ppm)
JET
(1997)
Aimant supraconducteur
D+T
Plasma
D
Combustible
Deutérium
Couverture
(contenant le lithium)
Tritium
Protection
neutronique
Échangeur
calorifique
Tritium et
Hélium
T+4He
Enceinte
à vide
4He
Hélium
Année
Évolution de la
concentration de CO2
dans l’atmosphère
Le tritium: produit et brûlé sur place
Une des caractéristiques uniques de l’énergie
de fusion réside dans le fait que le composant
combustible radioactif, le tritium, est produit
dans la machine elle-même: dans la couverture
contenant du lithium et entourant le plasma. Le
seul composant de combustible radioactif se
trouve donc être produit et brûlé à l’intérieur de
la machine, en circuit fermé. Il ne nécessite aucun
transport, sauf pour le démarrage et le démantèlement du réacteur.
Pas d’émission radioactive dangereuse
Les matériaux de base du combustible de
fusion – le deutérium et le lithium – ne sont
pas radioactifs et peuvent être transportés sans
problèmes jusqu’à la centrale. Les “cendres” nées
de la combustion lors de la réaction de fusion
consistent en une petite quantité de gaz inerte,
l’hélium qui n’est pas non plus radioactif. Des
études approfondies ayant trait à la sûreté ont
démontré qu’un réacteur de fusion ne représentait aucun risque d’émission de radioactivité
pouvant porter atteinte à la population ou à
l’environnement. La quantité maximale de tritium
libérée lors d’un éventuel accident d’origine
interne a été évaluée comme étant si minime que
personne en dehors du périmètre de la centrale
elle-même ne devrait être évacué. Les centrales
de fusion seront construites de telle manière que
le tritium y sera traité de manière sûre, conformément à des lois strictes et selon des procédures relatives aux concessions de licence.
Des matériaux de structure à faible
activation
La réaction de fusion elle-même ne produit aucun déchet radioactif. Les neutrons produits par
les réactions de fusion ont cependant un niveau
Courant électrique
Générateur de vapeur
Turbine et générateur
JG9
9.27
8/3c
Schéma de principe
d’une centrale de fusion
élevé d’énergie (14 MeV). Ces neutrons interagissent avec le lithium dans la couverture pour
produire le tritium, mais aussi avec les parois de
la chambre et des composants internes, ce qui
active leurs matériaux. La radioactivité générée
par un réacteur de fusion dépendra donc du
choix des matériaux utilisés pour la construction
de ces composants. Ceci permettra à l’avenir de
réduire considérablement la quantité de déchets
au cœur des futures centrales électriques de
fusion.
Une activité importante dans le domaine de
la recherche consiste de ce fait à développer
des aciers à faible activation ou des alliages de
chrome et de vanadium. On étudie également
des céramiques et des matériaux composites
fibreux dont la faible activation à long terme
représente un avantage certain. Les travaux de
recherche menés actuellement sur les matériaux a recours à une installation internationale
d’irradiation des matériaux utilisés dans la fusion,
International Fusion Materials Irradiation Facility
(IFMIF).
Le but de cette source de neutrons à haute
intensité est de tester et vérifier les qualités des
matériaux pour les futurs réacteurs de fusion,
en particulier les matériaux à faible activation.
Les résultats de recherches consacrés jusqu’à
présent à l’étude des matériaux démontrent que
la radioactivité produite pendant le fonctionnement des réacteurs de fusion devrait décroître
rapidement et atteindre des niveaux permettant leur recyclage après environ une centaine
d’années.
ITER, “la voie” vers l’avenir
Modèle du Site ITER
Une coopération mondiale
ITER – le mot latin pour “la voie” – sera le prochain grand tokamak
expérimental. Son objectif est de “démontrer la faisabilité scientifique et technologique de l’énergie de fusion à des fins pacifiques”.
ITER a été conçu dans le cadre d’une coopération internationale;
les partenaires du projet ITER sont l’Union Européenne (y compris la
Suisse), la République Populaire de Chine, le Japon, l’Inde, la Fédération
Russe, la République de Corée et les États Unis.
Prototype de bobine de champ
toroïdal dans l’installation
TOSKA (Karlsruhe, Allemagne)
ITER doit obtenir et étudier des plasmas chauds dans des conditions très similaires à celles prévues dans un réacteur de fusion
électrogène. Il devrait produire 500 MW d’énergie de fusion avec un
facteur d’amplification d’au moins 10, ce qui signifie que la production
d’énergie lors de la réaction de fusion sera dix fois supérieure à celle
qu’on y aura introduite pour maintenir le plasma chaud. Il permettra
également de démontrer le fonctionnement en régime stationnaire,
la disponibilité et l’intégration de technologies essentielles pour les
réacteurs de fusion, ainsi que de tester des composants pour les
futurs réacteurs.
Hall d’assemblage
& alimentation haute
fréquence
Bâtiment tokamak Parking
Bâtiment tritium,
vide, combustible et
services
L’énergie de fusion
Cryogénie, fabrication des bobines
poloïdales & alimentation de secours
Réservoirs de stockage cryogénie
Alimentation continue
Alimentation pulsée
Laboratoire,
bureaux
Salle de contrôle
Bâtiments réservés aux
alimentations électriques
de puissance des aimants
Administration
Bâtiment réservé au système d’initiation
du plasma par résistance de décharge
Tour de refroidissement
Eau de
refroidissement
Station de Stockage
pompage
de gaz
Entrée du
personnel
Zone réservée aux alimentations électriques
des injecteurs de neutres
Hall réservé aux systèmes
Cellule chaude diagnostiques pour
physique des plasmas,
Bâtiment
condensateur et résis0 50 100
déchets
tance de décharge de
l’aimant toroïdal
Échelle en mètres
Des technologies essentielles pour ITER
démontrées dans sept grands projets
ITER utilisera des technologies essentielles pour les réacteurs,
avec la construction et l’utilisation de composants de taille et
de performance similaires: aimants supraconducteurs, composants à haut flux thermique, systèmes d’entretien télémanipulés et installations de traitement du tritium. De nombreux problèmes technologiques ont déjà été étudiés avec succès durant
les dix dernières années, en particulier dans le cadre de sept
grands projets R&D, qui ont fourni des solides références techniques pour la construction d’ITER.
D+T
D
Prototype de divertor
d’intégration
Le coût d’ITER, son planning et le site
Plate-forme de test du divertor
(Brasimone, Italie)
www.efda.org
EFDA
Boltzmannstr. 2
D-85748 Garching / Munich - Germany
Phone: +49-89-3299-4263
Fax: +49-89-3299-4197
E-mail: [email protected]
editors: Federico Casci, Doris Lanzinger
Graphic design: Karen Jens
Layout: Stefan Kolmsperger
Revised version: 2011
La fusion, processus durant lequel des noyaux d’atomes légers fusionnent pour en
former de plus lourds, est la source d’énergie des étoiles, comme notre soleil. Des
réactions de fusion sont à l’origine de l’énergie produite dans le soleil en convertissant l’hydrogène en hélium. Lors de cette réaction, environ 0,5 % de la masse
d’hydrogène est convertie en énergie, selon l’équation bien connue d’Einstein
E = mc2, liant la masse à l’énergie. Cette énergie se libère sous la forme d’une radiation électromagnétique, la lumière, dont la majeure partie se perd dans l’immensité
de l’espace. Moins d’un milliardième atteint la surface de la terre, ce qui représente
cependant une importante source d’énergie qui alimente depuis des milliards d’années le cycle de l’eau, le vent et la vie. Sur terre, l’énergie de fusion est en mesure de contribuer à fournir l’énergie durable du
futur. Des scientifiques et ingénieurs du monde enMaîtriser la fusion sur terre
tier effectuent des recherches sur l’énergie de fuLes atomes d’hydrogène dans le soleil et les autres
sion afin de mettre au point une centrale alimentée
étoiles fusionnent à des températures très élevées
par cette source énergie utilisable d’ici 2050. Avec
et sous une très grande pression due à la gravité.
le lancement du projet international ITER, dont le
En principe, la fusion est possible à partir de nombut est de démontrer la faisabilité de l’énergie de
breux éléments légers. Parmi toutes les réactions
fusion, la communauté de la fusion a entamé une
possibles, la fusion du deutérium et du tritium –
phase décisive dans ce sens.
deux isotopes d’hydrogène – est la plus simple à
réaliser et a été choisie pour les futures centrales
de fusion. Ce processus convertit le deutérium
et le tritium en hélium, un neutron et une grande
quantité d’énergie.
L’investissement direct pour la construction d’ITER est
estimé à environ 4,6 milliards d’euros (valeur de l’euro
en 2000), à partager entre les partenaires internationaux,
principalement grâce à des contributions en espèces,
par exemple sous forme de pièces mécaniques. Dix ans
seront nécessaires pour construire ITER, sa phase
opérationnelle étant estimée à une vingtaine d’années.
ITER sera construit en Europe, près de Cadarache dans
le Midi de la France.
© F. Romanelli (EFDA Leader) 2011
This brochure or parts of it may not be reproduced without permission. Text, pictures and layout, courtesy of
the EFDA Parties; picture page 1: courtesy of Kurchatow Institut; page 2: General Atomics; page 3: JAERI;
page 4: IEA and IPCC 2001(WGI,SPm).
The EFDA Parties are the European Commission and the Associates of the European Fusion Programme which
is co-ordinated and managed by the European Commission.
Neither the Commission or the Associates nor anyone acting on their behalf is responsible for any damage
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A special thanks to those who voluntarily provided the translation of this brochure into other languages.
4He + n + Énergie
He
Vers une centrale électrique
Parallèlement à ITER, un programme
de R&D en physique et en technologie est mis en oeuvre afin de préparer la prochaine étape, DEMO.
DEMO devrait être opérationnel
30 à 35 ans après la construction
d’ITER et démontrer la production
d’électricité et l’autosuffisance en
combustible de tritium, marquant
ainsi l’entrée de la fusion dans l’ère
industrielle et ouvrir la voie vers les
premières centrales alimentées par
l’énergie de fusion.
Énergie
T
n
La réaction de fusion
Cent millions de degrés
On assiste à une répulsion électrostatique des noyaux atomiques car ils ont tous deux une charge
positive. Afin que les noyaux se rapprochent de manière suffisante pour fusionner, ils doivent
entrer en collision à une très grande vitesse, ce qui signifie que la température du gaz doit être
très élevée. Pour la fusion deutérium-tritium, la température requise est de l’ordre de 100 à 150
millions de degrés centigrades.
À de telles températures les atomes du combustible sous forme gazeuse perdent leurs électrons
et forme un gaz de particules, appelé “plasma”. Le plasma ne doit en aucun cas entrer en contact
avec les parois du récipient où a lieu la réaction, car une partie de la surface de la paroi s’évaporerait, le plasma serait immédiatement refroidi, détruisant ainsi les conditions requises pour les
réactions de fusion. Les parois risqueraient en outre d’être érodées et le plasma pollué.