TPE session 2005/2006 Les Tokamaks

TPE session 2005/2006
Les Tokamaks
Première partie : La Fusion
textes et illustrations : Martin Léo – 1S3/SI
Bref Historique de la fusion
Les débuts de la fusion se font avec la découverte dans les années 20 du défaut de masse[1] de
l'hélium par le physicien Aston, et donc de la formidable quantité d'énergie qui pouvait être obtenue grâce à
une réaction de fusion. Suite à ces découvertes, l'astronome anglais Eddington émet la théorie que cette
réaction serait celle qui aurait lieu dans les étoiles, le tout aboutissant à plusieurs expériences démarrées
dès 1938 aux états-unis.
Après la seconde guerre mondiale, la fusion nucléaire suscite l'intérêt des nations du monde entier,
avec notamment en grande-bretagne, le dépôt durant l'année 1946 par Thomson et Blackman du brevet d'un
réacteur à fusion nucléaire, comportant déjà une chambre à vide torique et un générateur de courant par
radio-fréquence. Cet intérêt n'est pas démenti durant la guerre froide, bien que celle-ci bride la
communication internationale à ce sujet.
Suite à cette période démarre la coopération internationale, les dossiers sont déclassifiés et une
conférence « Atomes pour la paix »[2] se tient à genève, où sont dévoilées les différentes recherches
effectuées dans les pays présents, et des organisations internationales se forment autour des technologies
nucléaires.
Dès 1968, les tokamaks, de technologie expérimentale russe, se démarquent par leurs
performances largements supérieures à celles des autres configurations, qui sont confirmées un an plus tard
par une équipe britannique, qui mesure la température du Tokamak T3, assurant aux tokamaks une
reconnaissance mondiale. Aujourd'hui encore, la supprématie que seuls les stellarators[2] -bien qu'ayant des
performances nettements inférieures- sont considérés aujourd'hui comme en mesure de contester.
Grâce à l'évolution notable des recherches et des crédits, la plupart des grands projets de
recherches sur les tokamaks modernes[4] sont lancés dès les années 1970, et permettent une relative
amélioration des résultats[5], même si on ne peut aujourd'hui prétendre produire de l'électricité avec un
rendement comparable aux systèmes actuels, ou avoir anplement les connaissances nécessaires à la
construction d'une générateur tel qu'ITER[6] aujourd'hui.
[1] d'après la célèbre formule e=mc² où :
e = énergie produite m = masse disparue et c = vitesse de la lumière
cette formule exprime donc l'équivalence entre la masse et l'énergie.
[2] 1958
[3] la principale différence entre tokamak et stellarator étant l'absence de courant électrique dans le plasma
généré par les stellarators.
[4] comme le JET (Joint European Torus) construit en Angleterre, le JT60 (J -JAERI Japan Atomic Energy
Research Institute- Tokamak 60) de Naka au Japon, ou encore le TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) de
Princeton aux états-unis.
[5] Les résultats du bilan énergétique ont en effet été multipliés par environ 1000, mais celui-ci reste négatif.
[6] International Thermonuclear Experimental Reactor dont la construction controversée doit avoir lieu à
Cadarache, en France.
Intérêts de la fusion – différences avec la fission
Nous nous intéresserons dans ce TPE aux tokamaks, une technologie de fusion nucléaire. La
principale différence des Tokamaks avec les systèmes actuels vient de la réaction nucléaire ayant lieu.
Certes l'une et l'autre font intervenir les nucléons, mais cela de manière totalement différentes. Les
technologie actuelles (réacteurs nucléaire de 1ère, 2éme, 3ème et 4ème génération [1] ) fonctionnent en
utilisant le principe de la fission nucléaire.
Lors de la fission nucléaire, des noyaux lourds, tels les noyaux d'uranium 235 sont bombardés par
un flux de neutrons, afin d'être 'cassés' pour former des noyaux[2] plus légers, aboutissant à la création de
neutrons dit 'de fission', de neutrinos[3] et de photons (rayons gamma). L'énergie cinétique des fragments et
des particules émises se transforme alors en énergie thermique, sous l'effet des interactions et collisions
avec la matière traversée. On notera aussi que les principaux inconvénients de la fission nucléaire sont la
radioactivité à long terme des produits de fusions, les problème dû à leur stockage et le relatif danger des
installations. De plus, on pourra noter la disparition annoncée de la fission à l'uranium, celui-ci étant amené à
disparaître.
Le processus de fusion quand à lui nécessite de puissantes forces afin de rapprocher suffisament
des noyaux légers, pour que ceux-ci entament une réaction de fusion, et forment, suite à celle-ci, des
noyaux moyens. Dans le cas des Tokamaks, on fusionnera des noyaux de deuterium et de tritium, afin
d'obtenir de l'hélium H4 ainsi qu'un neutron, selon l'équation:
Deutérium + Tritium → Hélium4 + neutron
Cependant les réactions suivantes ont aussi lieu :
Deutérium + Deutérium → Hélium3 + neutron
Deutérium + Deutérium → Tritium + proton
Deutérium + Tritium → Hélium4 + neutron
Deutérium + Hélium3 → Hélium4 + proton
Dans la réaction de fusion, il n'y a donc pas de déchets radioactifs aussi importants que lors de la
fission : le tritium issu de la réaction est radioactif durant une période de l'ordre de la dizaine d'année.
L'autre grande différence provient de la production d'énergie : on observe qu'en effet le défaut de
masse est beaucoup plus grand lors d'une réaction de fusion que lors d'une fission, il en résulte donc une
plus grande productivitée possible pour la fusion.
Courbe d'Aston
[1] on prévoit la mise en service des réacteurs de 4ème génération dès 2030-2040 pour remplacer le
vieilllissant parc nucléaire international (composé à 85% de centrale de seconde génération).
[2] noyaux de nombre de masse approchant A=95 (brome, krypton, zirconium) ou A=139 (baryum, iode,
xénon), le nombre de masse A étant égal au nombre de protons additionné au nombre de neutrons.
[3] le neutrino est un particule élémentaire de masse proche de zéro et de charge électrique nulle.
Principe de la fusion
principe – réactifs – produits – résultats
La fusion est une technologie qu'on pourrait séparer en deux catégorie : La fusion controlée et la
fusion non controlée. A ce jour seul la fusion non controlée eut une véritable utilisation, en l'occurence la
bombe H, arme de destruction massive. La fusion controlée étant encore une technologie expérimentale.
Nous ne traiterons plus ici que de la fusion controlée, étant celle qui officiera dans les tokamaks.
Malgré l'effet de la loi de coulomb qui veut que deux noyaux chargés positivements se repoussent, il
est possible que deux noyaux se percutent et entrainent une réaction de fusion, encore faut-il que les
noyaux se rapprochent à une distance égale ou inférieure à leur diamètre. Cela n'est possible que dans des
conditions ou les atomes sont soumis à des forces extrêmes : les noyaux doivent se trouver dans un état de
forte agitation thermique, soit environ 100 millions de degrés celcius, d'ou l'impossibilité de contenir la
réaction dans un réceptacle matériel.
Un exemple de fusion : la fusion deuterium+tritium
À l'intérieur d'un tokamak, la réaction est confiné par de puissant champs magnétique à l'intérieur
d'un plasma de fusion, c'est à dire que les électrons ont été dissociés des nucléons et peuvent donc plus
facilement interagir. On préferera, afin de maximiser la production d'énergie, fusionner des noyaux légers
afin de former des atomes moyens, dont le numéro de masse se rapproche le plus du fer. A l'intérieur des
Tokamaks, les réactifs sont le deuterium et le tritium, on observe donc plusieurs cas de fusion possibles :
Deutérium + Deutérium → Hélium3 + neutron
Deutérium + Deutérium → Tritium + proton
Deutérium + Tritium → Hélium4 + neutron
Deutérium + Hélium3 → Hélium4 + proton
Les produits Hélium3, hélium4, deuterium ne posent pas de problèmes de radioactivité, ce qui n'est
pas le cas du tritium, radioactif. cependant, celui-ci fait parti des réactifs, et peut donc être recyclé dans la
réaction. Il existe des incertitudes quant au matériau qui composera la paroi de l'enceinte, en raison de
l'émission par la réaction deuterium+tritium de neutrons rapides, difficile à confiner en raison de leur charge
electrique neutre : ceux-ci peuvent alors capturés par les parois et les transmuter en isotopes radioactifs.
La production d'énergie se fait selon la formule d'Albert Einstein:
E=mc²
Où E désigne l'énergie résultante, m la masse disparue et c la vitesse de la lumière. La formule
s'exprimerai donc en français comme ceci : L'énergie résultante est égale à la masse disparue multipliée par
le carré de la vitesse de la lumière.
On entend par masse disparue le défaut de masse, c'est à dire la différence entre la masse des
atomes fusionné et l'atome produit de cet fusion. Il est dans le cas de la fusion entre le deuterium
(2.01355321270 u[1]) et le tritium (3.0160492 u) égal à 0.0183342397 u (Hélium 4H de masse 4.002603250
u, neutron de masse 1.008664923 u). Cette masse n'ayant pas disparue, on en déduit donc qu'elle à été
convertie en énergie.
C'est sur ce dernier point que l'on joue, dans les tokamaks par exemple, afin de produire de
l'énergie.
[1] l'unité de masse atomique de symbole u est égale à 1/12eme de la masse du nucléide carbone 12C, soit
1,5556056 x 10-27kg.