La fusion thermonucléaire et le projet ITER

L’énergie de fusion thermonucléaire de l’hydrogène - Un atout majeur pour répondre au défi énergétique des siècles à venir 06/10/2016
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-4:17368

Résumé

La fusion thermonucléaire et le projet ITER

Métriques

73
11
364.6 Ko
 application/pdf
bitcache://d081077ba2b8c964f11c53ff131f199537f4ef6c

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2016-4/17368</identifier><creators><creator><creatorName>Bernard Bigot</creatorName></creator><creator><creatorName>Jean Jacquinot</creatorName></creator><creator><creatorName>Robert Aymar</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>La fusion thermonucléaire et le projet ITER</title><title>L’énergie de fusion thermonucléaire  de l’hydrogène - Un atout majeur pour répondre au défi énergétique des siècles à venir</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2016</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Thu 6 Oct 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Jul 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">d081077ba2b8c964f11c53ff131f199537f4ef6c</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>29428</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

30 REE N°4/2016 Le choix d’une poli- tique énergétique adaptée aux besoins des sociétés des siècles à venir est plus que jamais à l’ordre du jour. Un rapport récent de la Banque mondiale [1] indique que glo- balement 1,2 milliard de personnes vivent encore sans accès à l’électricité et que 2,8 milliards sont dans la nécessité d’utiliser uniquement des produits d’origine végétale, fossiles ou non, pour préparer leurs repas et se chauffer. Ces combustibles solides sont, au-delà de leur impact négatif sur l’environne- ment et le climat, une source de pollution dange- reuse pour la santé humaine qui contribue à près de quatre millions de morts prématurées par an. Par ailleurs, la population mondiale continue de croître et, en dépit des nécessaires mesures d’économie, la demande en énergie croît encore plus vite, particu- lièrement dans les pays en voie de développement qui voient heureusement leur niveau de vie s’élever rapidement. Malgré la contribution liée au dévelop- pement des énergies renouvelables, cette demande supplémentaire est, à l’échelle mondiale, satisfaite dans une très large mesure par un recours croissant aux combustibles fossiles, en particu- lier au charbon, le plus polluant d’entre eux. Les climato- logues, de leur côté, lancent des cris d’alarme sur les effets catastrophiques du réchauffement climatique, largement dus aux gaz à effet de serre, résultats de ces combustions. En 2012, 81,7 % de la consomma- tion énergétique provenait encore de la combustion des énergies fossiles (figure 1). C’est donc l’un des défis majeurs de ce siècle que de répondre à la croissance inévitable de la consom- mation énergétique mondiale par le développement de sources d’énergie qui respectent l’environne- ment et dont la disponibilité puisse être assurée à très long terme. Pour y parvenir, seule une approche globale est envisageable : économiser l’énergie de façon drastique pour limiter le défi, réduire le relâ- chement des gaz à effet de serre par leur recyclage, simultanément accentuer l’effort de recherche et de développement pour un usage, optimisé et combi- né, des ressources renouvelables et des ressources nucléaires disponibles, sûres et respectueuses de l’environnement. En l’absence de la découverte de moyens de stockage efficaces, massifs et de coût abordable, de l’énergie intermittente et diffuse en provenance des sources renouvelables, il est en effet improbable qu’elles puissent à elles seules rempla- cer les sources génératrices de gaz à effet de serre. Le recours aux énergies nucléaires pour la fourniture de l’électricité de base des grandes concentrations humaines et des grandes installations industrielles paraît inévitable, mais les évènements tragiques qui se sont produits en mars 2011 au Japon renforcent chaque jour davantage les exigences de la sûreté face aux risques nucléaires. LE GRAND DOSSIER Introduction L’énergie de fusion thermonucléaire de l’hydrogène Jean Jacquinot Iter Organisation Robert Aymar Iter Organisation Bernard Bigot Iter Organisation Figure 1 : Production mondiale d’énergie primaire en 2012, d’après les données du Key World Energy Statistics 2014 de l’AIE. REE N°4/2016 31 Introduction LE GRAND DOSSIER On sait que l’énergie tirée de la fusion des iso- topes de l’hydrogène, si elle pouvait devenir dis- ponible industriellement, éviterait l’essentiel des risques associés à l’énergie de fission (Cf. l’article de Jean Jacquinot) : pas de risque d’emballement (pas de réactions en chaîne et, à chaque instant, pas plus de quelques grammes de combustible dans la machine sous forme d’un plasma très ténu), faible chaleur résiduelle de l’installation décrois- sant très vite dès l’arrêt du réacteur, pas de maté- riaux fissiles permettant la confection d’un explosif nucléaire (donc pas de risque de prolifération), pas de déchets radioactifs à extrêmement longue ou longue durée de vie. Un deuxième atout majeur de l’énergie de fu- sion est l’abondance naturelle des sources de son combustible. Dans sa version la plus accessible, elle brûle (‘fusionne’) deux isotopes de l’hydro- gène, le deutérium et le tritium. Le tritium, qui n’est pas disponible naturellement, sera fabriqué dans l’enceinte même du réacteur de fusion à partir du 6 Li qui constitue environ 7,5 % du lithium naturel. On trouvera dans l’article précité les propriétés des réactions nucléaires correspondantes. On trouvera aussi dans un article récent une évaluation des ré- serves de combustibles [2] dont les résultats sont représentés sur la figure 2. Il est clair que la fusion pourrait fournir l’énergie du monde entier pendant des millions d’années. Ce sont ces avantages indiscutables qui ont convaincu les stratèges de tous les pays industriali- sés de lancer des programmes de recherche impor- tants sur la fusion de l’hydrogène par confinement magnétique en dépit des défis scientifiques et tech- niques majeurs à affronter. En effet la fusion doit être réalisée dans un gaz à très haute température où il prend l’état plasma, sujet à des interactions collectives complexes, dont les zones de stabilité sont étroites. Il doit être bien isolé thermiquement des parois sous peine d’être immédiatement re- froidi. L’isolation thermique implique des champs magnétiques intenses créés par des aimants supra- conducteurs et les matériaux de première paroi sont par endroits soumis à des flux thermique et neutro- nique intenses. Ces défis constituent la trame de ce dossier, car ITER doit les affronter pour la première fois de manière intégrée et en vraie grandeur. En Europe, dès la signature à Rome du traité EURATOM (1957), un réseau des laboratoires euro- péens de recherches sur la fusion a été constitué. Le laboratoire du CEA en a été le premier maillon et n’a pas arrêté depuis de contribuer de façon magis- trale aux progrès dans le domaine. L’Europe a en particulier construit le JET (Joint European Torus) qui constitue véritablement le précurseur d’ITER en produisant 16 MW de puissance fusion et en défi- nissant les dimensions nécessaires pour obtenir un gain de puissance substantiel. Le Tore Supra au CEA Cadarache a de son côté démontré la possibilité d’utiliser de façon fiable des aimants supraconduc- teurs. Ces aimants fonctionnent parfaitement à une température (1,8 K) proche du zéro absolu en pré- sence d’un plasma de 50 millions de degrés situé à environ un mètre. Le JET et Tore Supra sont tou- jours en opération préparant activement la mise en service d’ITER. Les contributions des autres grandes expériences en Europe et dans le monde sont bien loin d’être en reste. On notera en particulier la mise en service récente en Allemagne du Stellarator supraconducteur W7X et le développement rapide des programmes de fusion en Asie : quatre ma- chines supraconductrices de taille moyenne sont en construction ou en opération au Japon (JT-60- SU), en Corée du Sud (KSTAR), en Chine (EAST) et en Inde (SST-1). Ce sont ces progrès continus scientifiques et tech- niques qui ont permis de confirmer les espoirs de maîtrise de la fusion thermonucléaire de l’hydrogène et donc de poursuivre avec confiance la stratégie de recherche retenue il y a un demi-siècle par quelques pays visionnaires, et maintenant partagée par Figure 2: Réserves approximatives exprimées en unité de l’actuelle production mondiale d’électricité (en weu ou World Energy unit – 1 weu = 2,4 térawatt.années). Les réserves connues au coût actuel sont indiquées en rouge et en bleu le lithium contenu dans les mers (extraction économique à dé- montrer), en sus des ressources terrestres existantes. Source : [2]. 32 REE N°4/2016 LE GRAND DOSSIER Introduction l’ensemble des grandes nations. En 2006, après une longue période d’études techniques, puis de négocia- tions sur le choix du site (Cf. encadré 2 de l’article de Robert Aymar & al.) sept partenaires – l’UE qui offre le site, la Corée du Sud, la Chine, les Etats-Unis, l’Inde, le Japon et la Russie – ont signé un accord international d’une durée minimale de 40 ans pour la construction et l’exploitation d’ITER. Ce projet constitue la plus importante collaboration scientifique internationale ayant existé à ce jour, faisant de la fusion un objectif planétaire dont les résultats seront une propriété col- lective pour le bénéfice de tous. Au-delà du défi que constituent la construc- tion et le fonctionnement de cette installation de recherche exceptionnelle qu’est ITER, une ques- tion qui est naturellement souvent posée lorsque le sujet de la fusion thermonucléaire de l’hydro- gène est abordé est celle de son industrialisation à grande échelle dans des conditions économique- ment avantageuses après l’atteinte des objectifs d’ITER. La réponse à cette légitime question est à l’évidence complexe et à ce stade de développe- ment de cette technologie nécessairement enta- chée d’incertitudes. L’objet d’ITER est justement de rechercher une optimisation des conditions de constructibilité et d’opérabilité qui permettront de simplifier les fabrications et de réduire les coûts. Pour la réalisation d’ITER, la contribution de chaque partenaire, exprimée en fraction de la valeur totale de la construction, est de 46 % pour l’UE et de 9 % pour chacun des six autres partenaires. Environ 90 % de cette valeur doit être fournie en nature et prise en charge par des agences domestiques consti- tuées par les partenaires. L’équipe centrale du projet, dont les bureaux sont installés à Cadarache en Pro- vence, est en charge des spécifications techniques, de la sûreté, des normes de qualité, de l’intégration et de la coordination de l’ensemble, de l’assemblage et de l’installation et, plus tard, de l’opération. La France intervient à deux niveaux, d’abord comme partenaire au sein de l’UE, mais aussi avec une responsabilité particulière comme pays hôte (viabilité et mise en condition du site, locaux du siège, école internationale et itinéraire d’accès au site pour convois exceptionnels). Cette responsabi- lité est exercée par l’agence ITER France (AIF) dont le siège est aussi à Cadarache au sein du centre du CEA. Le choix de Cadarache comme site pour ITER doit beaucoup à l’excellence de l’environnement scientifique constitué par le centre du CEA et, sur le plan sociétal, par le soutien des collectivités ter- ritoriales qui contribuent à hauteur de 467 millions d’euros au coût d’ITER incombant à la France. Cette contribution a permis d’éviter une ponction équi- Bernard Bigot, ancien professeur des universités, est un physico-chimiste, spécialiste de l’étude quantique de la réac- tivité chimique. Il a participé à la création de l’Ecole normale supérieure de Lyon, dont il a été successivement directeur adjoint en charge des études (1983-93), puis de la recherche (1998-2000) avant d’en être le directeur (2000-2003). Il a par ailleurs été directeur général de la recherche et de la technologie (1993-1997), avant d’assumer les fonctions de Haut-Commis- saire à l’énergie atomique et de directeur général du CEA entre 2003 et 2015. Il est depuis mars 2015 directeur général de ITER Organization. Jean Jacquinot est physicien des plasmas. Il a participé aux recherches sur la fusion par confinement magnétique, dans un premier temps au CEA à Fontenay aux Roses (1963-81) puis entre 1981 et 1999 au JET joint Undertaking, la grande expérience européenne construite à Culham au Royaume-Uni. Il y a exercé plusieurs responsabilités : responsable du chauf- fage HF du plasma, directeur adjoint puis directeur général. Il rentre en France au tout début de 2000 pour prendre la direction des recherches sur la fusion au CEA et contribuer à la candidature de Cadarache pour ITER. Il est à présent Senior Adviser auprès du directeur général d’ITER. Robert Aymar, après les années de formation en physique des plasmas à la sortie de l’Ecole Polytechnique, a dirigé le projet Tore Supra de sa conception en 1977 jusqu’à sa mise en service en 1988 en passant par sa construction sur le site de Cadarache. Un nouveau laboratoire a été construit à cette occasion, préparé dans la perspective de pouvoir accueillir à proximité un futur réacteur à fusion nucléaire, ce qui est main- tenant réalisé avec l’implantation d’ITER. Directeur de la recherche fondamentale du CEA de 1990 à 1994, puis en 1994 nommé directeur de la Collaboration internationale ITER, Robert Aymar s’est entièrement consacré jusqu’en 2003 à la définition du projet et à son approbation par les différents pays participants formalisée par l’accord international ITER signé en 2006 à Paris. Le Conseil du CERN l’a nommé en 2003 directeur général pour conduire l’organisation à terminer efficacement la construction du grand collisionneur de protons LHC. Il est depuis 2009 conseiller scientifique auprès de l’admi- nistrateur général du CEA. REE N°4/2016 33 Introduction LE GRAND DOSSIER valente sur les budgets de la recherche française et offre dès maintenant un retour important sur le plan économique puisque, au début 2016, environ 51 % des contrats d’ITER et de l’AIF, soit 2,26 mil- liards , ont été passés aux entreprises françaises. Une vingtaine de ces entreprises ont déjà créé plus de 400 emplois. Après des débuts difficiles, le projet a pu, en mars 2015, être réorganisé en une véritable structure de projet. Un an plus tard on constate une accéléra- tion très significative de la construction et ITER estime maintenant à 40 % le degré d’achèvement des fabrications des systèmes nécessaires au début de l’exploitation, qui correspond à l’obtention d’un premier plasma en 2025 selon un calendrier validé par le Conseil ITER de juin 2016. L’idée de ce dossier sur ITER a germé à la suite d’une visite sur le site ITER du groupe Cen- trale Energies qui réunit les associations de cinq Ecoles Centrales à laquelle participait le rédacteur en chef de la REE [3]. Cette visite étayée par une série de conférences a permis un tour d’horizon scientifique assez complet du projet et il a été proposé de réunir ces conférences en un dossier pour la REE. L’objectif proposé aux auteurs de sept articles est de donner, pour un lectorat non spé- cialisé, les bases scientifiques et techniques ainsi que l’état d’avancement du projet ITER. Ces sept articles fournissent des coups de projecteurs sur les concepts de base de la production de l’éner- gie de fusion par confinement magnétique, dé- crivent les principales technologies innovantes (e. g. les supraconducteurs, le vide, la cryogénie, l’électrotechnique, la mécanique et les matériaux) et donne l’état d’avancement du projet en juin 2016. Bibliographie [1] http://www.banquemondiale.org/fr/news/ feature/2013/05/28/Global-Tracking-Framework-Puts- Numbers-to-Sustainable-Energy-Goals [2] Steven C. Cowley Nature Physics vol. 12 May 2016. [3] http://www.centrale-energie.fr/ La fusion thermonucléaire Enjeux, principes, réalisations Par Jean Jacquinot ........................................................................................................................................................ p. 34 Le projet ITER Objectifs, choix des paramètres et état du projet Par Robert Aymar, Bernard Bigot et Jean Jacquinot ..................................................................................... p. 44 Un site et une logistique exceptionnels Par Erwan Duval ........................................................................................................................................................... p. 56 La distribution électrique du site et les alimentations électriques de puissance Par Joël Hourtoule ...................................................................................................................................................... p. 65 Les aimants supraconducteurs d’ITER Par Paul Libeyre ............................................................................................................................................................. p. 76 ITER : vide et cryogénie Par Eric Fauve, David Grillot ................................................................................................................................... p. 85 La chambre à vide Fonction et matériaux Par Jean-Marc Martinez ............................................................................................................................................. p. 97 LES ARTICLES