La fusion thermonucléaire et ITER

01/09/2017
Auteurs : Christian Ngô
Publication REE REE 2006-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-3:19745
DOI :

Résumé

La fusion thermonucléaire et ITER

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	    <date dateType="Updated">Fri 1 Sep 2017</date>
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La fusion thermonuclé et ITER eaire Christian NGÔ ECRIN Cet article est consacré à [a fusion thermonucléaire et au projet ITER (International Thermonuclear Experimenta Reactor). Une grande partie des données est issue de la journée " ITER, enjeux scientifiques, technologiques et socio-économiques " organi- sée par ECRIN et l'OPECST en 2005. Le lecteur trouvera des informations complé- mentaires dans e CD-rom de ce colloque. Énergie : toujours plus ! La consommation énergétique de l'humanité a forte- ment augmentée avec l'amélioration des conditions de vie et le développementéconomique. Ainsi, entre 1900et 2000, la consommation d'énergie primaire mondiale, i.e. avant transformation, a été multipliée par un facteur 10. L'énergie primaire sert principalement à produire de l'électricité, de la chaleur (ou du froid) et des carburants pour les transports. En termes d'énergie finale, l'électri- cité, les transports et la chaleur (ou le froid) sont respec- tivement dans les rapports 1 :2 :3. Si la production d'électricité n'est qu'une faible part de l'énergie finale, sa croissance est supérieure à celle de l'ensemble des éner- gies car c'est un vecteur énergétique commode de plus en plus utilisé. Son utilisation peut aller au-delà de ce qui est prévu par simple extrapolation si de nouveaux usages voient le jour. Ainsi, dans le domaine de la chaleur, on peut penserà un développement important despompes à chaleur qui sont des amplificateurs d'énergie puisqu'en consommant 1 kWh d'électricité elles peuvent produire 3 à 4 kWh de chaleur. Elles peuvent aussi produire du froid si elles sont réversibles. Il pourrait également y avoir une forte demanded'électricité au niveau des transports avec le développement de véhicules hybrides à batteries rechargeablessur le réseau.Une croissance de 2%/an de la consommation énergétique mondiale conduirait à pres- que tripler celle-ci d'ici un demi-siècle. La fusion : une source d'énergie concentrée Les énergies mises en jeu dans les réactions nucléai- res sont d'environ 1 million de fois supérieures à celles misesenjeu dansles réactions chimiques. Un exemple de cesdernières est la combustion des combustibles fossiles (pétrole, gaz ou charbon). Les énergiesrenouvelables ont desdensitésd'énergie de l'ordre d'un million de fois plus petite que les combustibles fossiles et certainessont inter- mittentes. Il existe des réactions nucléaires qui peuvent libérer de l'énergie et se poursuivre par réaction en chaîne. Il s'agit de la fission dans laquelle on casse un noyau lourd en 2 morceaux avec des neutrons et de la fusion qui résulte de la combinaison de deux noyaux très légers.La quantité d'énergie libérée est liée à l'énergie de liaison par nucléon. Elle est de l'ordre de 8,5 MeV par nucléon pour des noyaux ayant un nombre de masseA compris entre 30 et 120. Elle diminue jusqu'à 7,5 MeV par nucléon pour A > 220 et croît de 1 à 7 Mev par nucléon entre le deutérium (dH) et l'hélium ('He). La fusion libère ainsi plus d'énergie que la fission par unité de masse. Le Soleil Comme le Soleil fournit l'essentiel de l'énergie que nous utilisons, on peut être tenté d'essayer de reproduire sur Terre ce qui seproduit dansnotre étoile. Le fonction- nement du Soleil n'a été compris que dans le courant du siècle dernier, par Hans Bethe. L'énergie de notre étoile vient de réactions de fusion thermonucléaire dans les- quelles des protons se transforment en noyaux d'hélium en libérant de l'énergie (26 MeV par réaction). Cela se fait par une successionde réactions nucléairesdont la pre- mière est extrêmement lente puisqu'il faut environ 5 mil- liards d'années pour que 2 protons fusionnent et initient le processus. Ce phénomène est très rare car il est gou- verné par l'interaction faible et explique la durée de vie de notre étoile : près de 10 milliards d'années. C'est le REE N 1i Mars2006 > L'article invité La fusion thermonucléaire et ITER < temps nécessairepour épuiser le combustible utilisable. Le Soleil estdonc un réacteur nucléaire de fusion à confi- nement gravitationnel. Sur Terre il est exclus de repro- duire ce qui se passedans le Soleil et l'on n'a d'ailleurs jamais pu réaliser en laboratoire la fusion de 2 protons. La fusion sur la Terre Si libérer de l'énergie est indispensable pour disposer d'une sourced'énergie, il est aussinécessaireque la réac- tion, une fois démarrée, s'entretienne d'elle-même. C'est ce qui sepasselorsque l'on allume une bougie avec une allumette. Dès que le feu prend, il s'entretient de lui- même et dure tant que la bougie n'a pas disparue. C'est aussi le cas de la fission de 1 " - " Uinduite par des neutrons dans laquelle en moyenne 2,5 neutrons sont émis (2 ou 3 par réaction) et dont une partie (proche de l'unité) induit de nouvelles fissions. C'est ce qui est visé avec la fusion thermonucléaire où, au-delà d'un certain seuil, le plasma formé s'entretient de lui-même par la chaleur qu'il dégage. La réaction de fusion la plus intéressanteà réaliser sur Terre est la réaction d-t où le deutérium (d H) et le tri- tium (t " H)sont deux isotopes de l'hydrogène. Celle-ci s'écrit : d + t-'He + n + 17,6 MeV Le noyau d'hélium emporte une énergie cinétique de 3,5 MeV et le neutron 14,1 MeV. Avec Ig d'un mélange de deutérium et de tritium on peut produire autant d'éner- gie qu'avec 8 tonnes de pétrole, soit environ 83000 kWh. Pourquoi est-ce si difficile ? Dans le cas de la fission, le neutron qui n'est pas chargé pénètre facilement dans un noyau d'uranium. Dans le casde la fusion, les deux particules qui interagis- sent sont chargées.Or l'interaction nucléaire, qui va per- mettre la fusion desdeux noyaux, est de courte portée (de l'ordre du fm (10- " mx ».Il faut donc pouvoir les rappro- cher suffisamment et pour cela lutter contre la barrière coulombienne qui les séparepuisque cette interaction est de portée infinie. Une manière de vaincre les forces cou- lombiennes et d'amener les noyaux suffisamment près l'un de l'autre pour qu'ils puissent fusionner est de les porter à haute température, i.e de leur donner une énergie cinétique suffisante pour qu'ils puissent franchir la bar- rière coulombienne qui les sépare. Pour les réactions de fusion les plus faciles à réaliser par l'Homme, cela corres- pond à des températures supérieure à la centaine de mil- lions de degrés (la température au coeurdu Soleil est de 15 millions de degrés). Il faut aussi pouvoir confiner assezlongtemps cesnoyaux très chaudspour qu'ils aient le temps de réagir et maintenir le plasma formé suffisam- ment longtemps pour que la réaction s'entretienne en gar- dant une part de l'énergie libérée. Les conditions pour maintenir un plasma de fusion sont difficiles à réaliser. Il faut porter le plasma d-t à plus de 100 millions de degrésce qui correspond à une éner- gie de 10ke V(T, en fait kT- 10keV, où k est la constante de Boltzmann). A cestempératures, le produit de la den- sité, n, par le temps de confinement de l'énergie, T, doit être supérieur à 102'm- ".s.Ce qui donne, pour le produit nTT la condition d'ignition suivante (proche du critère de Lawson) : nT-i- 1021 m " kevs -1 bar.s Il y a deux voies pour réaliser la fusion en laboratoire. La première consiste à confiner des densitéstrès élevées pendant un temps très bref, la secondedes densités très faibles pendant des temps très longs. La première voie est le confinement inertiel dans lequel on comprime rapidement et fortement le mélange d-t. Cela peut se faire avec un laser ou un faisceau d'ions lourds. C'est l'objectif du projet mégajoule du CEA qui est implanté dans la région de Bordeaux. Il a pour but de réaliser des expériences de fusion pour simuler les armes nucléaires. Dans le confinement inertiel par laser, on comprime et chauffe un mélanged-t emprisonné dansune petite capsule en le bombardant par des impulsions laser synchronisées de forte puissance. Sous cette irradiation, la densité et la température du mélange augmentent forte- ment et le processusde fusion démarre. La seconde voie vise des densités faibles, avec un nombre de particules de l'ordre de 10 " particules. Son objectif est de fournir, dansle futur, de l'énergie pour produire de l'électricité. La méthodeconsisteà confiner un plasma d-t dans une structure magnétique et de chauffer celui-ci jusqu'à atteindre une température suffisante pour que les réactions de fusion s'amorcent. Cette voie s'est imposéepour produire de l'énergie à desfins civiles. Une longue histoire Les premières expériences pour confiner un plasma chaud avec des champs magnétiques datent de 1938 aux Etats-Unis. Beaucoup d'efforts ont été consacrés à la fusion thermonucléaire dès 1946. Ces recherches sont restées confidentielles à cause de la guerre froide jusqu'en 1958 date à laquelle les résultats ont été déclas- sés et des collaborations internationales se sont établies. Les difficultés du problème ont été sous estimées et il a fallu attendre 1968 pour qu'un pas important soit fait par les chercheurs russes en introduisant une configuration magnétique particulière : le Tokamak. Celle-ci s'est avé- rée bien supérieure à celles développées dans les autres pays. Elle s'est rapidement imposée pour continuer les REE No 3 Mars2006 recherchesmême si une autre structure, le stellarator, est une alternative possible qui reste en retrait en matière de performances. Des progrès considérables ont été accom- plis depuis et, en 30 ans,le produit nTT a été multiplié par un facteur 1000. C'est une croissance analogue et même un peu supérieure à celle observée dans le domaine des semi-conducteurs (loi de Moore). Le projet ITER a été proposé en 1985 par Mikhaïl Gorbatchev au Sommet de Genève. Les États-Unis, L'Europe, en association avec le Canada, et le Japon ont rejoint ce projet en 1986. Les États-Unis le quitteront quelques années plus tard. Dans l'intervalle, ses ambi- tions ont été revuesà la baisseen termes de coûts et d'ob- jectifs pour aboutir au projet actuel dont le coût est d'en- viron 10 milliards de $ sur 30 ans. Ce projet associesix partenaires : la Chine, la Corée du sud, l'Europe, les États-Unis, la Fédération de Russie et le Japon.Plusieurs pays étaient candidats pour accueillir le réacteur ITER : le Canada,l'Espagne, le Japon et la France. C'est finale- ment le site de Cadarache,en France, qui a été retenu en 2005. Une installation, destinée à étudier les matériaux, sera installée parallèlement au Japon (IFMIF, International Fusion Materials Irradiation Facility). C'est une source d'irradiation de neutrons de 14 MeV dont le coût représente environ 15 % de celui d'ITER. Le coût pour la France d'ITER sera de 15 % mais une étude du ministère desfinances a montré que l'installation du réac- teur en France apporterait au pays un retour bien supé- rieur àcette somme.Environ 2000 personnestravailleront à la construction et 1000 assureront son exploitation. Des milliers d'emplois indirects seront impliqués dans les deux phases. La fusion thermonucléaire par Tokamak Pour que le plasma fournisse de manière continue de l'énergie, il faut qu'il reste chaud et dense. Les pertes d'énergie doivent donc être compenséespar les sources d'énergie. La puissance produite par la réaction d-t se répartie entre les particules a (noyaux d'hélium) et les neutrons. Dans la réaction d-t, les neutrons emportent environ 80 % de l'énergie et les particules a 20 %. Cette énergie ne se distribue pas de la même manière. Les par- ticules a restent confinées dans le plasma par le champ magnétique du Tokamak. Elles lui transfèrent leur énergie lors des collisions avec les autres particules. Les neu- trons, qui ne sont pas chargés, s'échappent. Ils sont arrê- tés dansles matériaux de couverture entourant la chambre à vide du Tokamak. Une grande partie vient desphénomènesde transport des particules et de la chaleur vers l'extérieur. Une autre vient du rayonnement du plasma.Ainsi les électrons perdent de l'énergie par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) et rayonnement synchrotron. Le plasma contient égale- ment des impuretés arrachéesaux parois dont les niveaux atomiques peuvent être excités. Ce dernier phénomène, s'il est important, peut conduire au phénomènede disrup- tion du plasma qui est une perte brutale du confinement de celui-ci. Le facteur d'amplification Q est le rapport entre la puissance fournie par les réactions de fusion et la puis- sanceextérieure injectée. Si Q>l les réactions de fusion fournissent plus d'énergie que ce que l'on a injecté. Le « break even » correspond à la situation où Q- 1. L'énergie produite par les réactions de fusion est alors égale à celle injectée dansle plasma. Dans cette situation, les particules a fournissent une partie de l'énergie du plasma. On vise l'ignition qui est la situation où la puis- sance fournie par les réactions de fusion compense les pertes et il n'y a plus besoin de fournir de l'énergie. Le plasma brûle comme brûle une bougie que l'on a allu- mée et s'autoentretient tant qu'il y a du combustible. L'ignition correspond au cas où Q est infini puisque la puissanceextérieure est nulle. Lorsque l'énergie libérée par les réactions de fusion n'est pas suffisante pour compenser les pertes et entrete- nir la réaction de fusion, il est nécessairede fournir à ce dernier de l'énergie. Ces pertes sont de plusieurs natures. Les réserves Pour la fusion, les ressources ont l'avantage d'être abondanteset bien réparties sur la planète. La concentra- tion de deutérium dans l'eau de mer est de 33g/mj ce qui conduit à des réservesde l'ordre de 4.6x 10'3 tonnes.Cela représente de l'ordre de 10 milliards d'années d'énergie au rythme de la consommation d'électricité actuelle. Or notre planète vivra encore 5 milliards d'années puisque qu'au-delà de cette date le Soleil auraépuisé son combus- tible. Par contre, le tritium, qui est un noyau radioactif dont la période est de 12,3 ans, n'existe donc pas à l'état naturel sur la Terre. On le synthétise à partir du lithium (6 Li). La teneur moyenne de lithium dans l'écorce terrestre est de l'ordre de 50 ppm,. Les réservessont de l'ordre de 12 millions de tonnes pour un prix au kg inférieur à 5$. Ceci correspond à environ 5000 ans d'énergie. Cesréser- ves sont donc de l'ordre de grandeur de celles de l'ura- nium qui correspondent à une dizaine de milliers d'an- nées si l'on utilise des réacteurs à neutrons rapides. Il existe aussi du lithium dans l'eau de mer (0,17g/M3@ Soit 230 milliards de tonnes). Le fonctionnement d'un réac- teur de fusion électrogène de 1000 MW, nécessite 100 kg de deutérium et 150 kg de tritium par an, soit 300 kg de 'Li. Mais, tout comme le nucléaire de fission, le prix du combustible de la fusion thermonucléaire ne représentera qu'une faible part du prix du kWh. REE No 3 Mars2006 > L'a rt ici e nvité La fusion thermonucléaire et ITER < Sûreté et déchets Le plasma d'un réacteur de fusion contient très peu de matière (quelques dizaines de milligrammes de mélange d-t par m). Un emballement de la réaction n'est guère possible car toute perturbation incontrôlée du milieu entraîne un refroidissement rapide du plasma et l'arrêt de la réaction. Le tritium utilisé, qui sera produit dans la cou- verture contenant du lithium entourant la chambre à réac- tion, est quant à lui radioactif. Il faudra confiner soigneu- sement ce produit car il diffuse rapidement dans les maté- riaux Les produits de réaction de la réaction d-t ne sont pas radioactifs. Le premier niveau excité du noyau d'hélium est à plus de 20 MeV et la période du neutron, plus de dix minutes, est longue par rapport à son temps de capture par d'autres noyaux. A la fin de vie du réacteur de fusion, les matériaux de structure seront activés mais la période des noyaux formés est courte si bien qu'au bout d'une cen- taine d'années la majorité des matériaux activités seront très faiblement radioactifs. Par rapport aux réacteurs de fission, qui génèrent des déchets à vie longue, ceci est un avantage des réacteurs de fusion. ITER : une étape vers la maîtrise de la fusion Iter est avant tout un grand instrument de recherche. Son but n'est pas de produire de l'électricité mais de maî- triser les conditions pour réaliser un plasma de fusion thermonucléaire. Le réacteur ITER sera 8 fois plus gros que le réacteur international JET (Joint European Torus) actuel, situé en Angleterre. Alors que le gain de ce dernier était de I, ITER aura un gain de 10. C'est toutefois insuf- fisant pour produire industriellement de l'électricité : il faudrait atteindre un gain de 40. La puissance d'ITER est de 500 MW,,, et le plasma sera confiné pendant 400s au maximum. Le projet initial, il y a 20 ans, visait une puissance de 1500 MW,,, et un confinement de 1000s. Le Jet, machine internationale située en Angleterre (le plus grand Tokamak du Monde), et le réacteur TORE SUPRA du CEA (le plus grand Tokamak supraconducteur du Monde) situé à Cadarache, ont été des pièces maîtres- ses dans la préparation du projet ITER. Avant d'aboutir à un réacteur industriel fournissant de l'électricité aux consommateurs, plusieurs étapes sont encore nécessaires. Il faut en effet aboutir à un fonctionnement fiable permet- tant de fournir de l'énergie de manière continue à un coût économiquement compétitif. Tout d'abord le réacteur DEMO, d'une puissance de 2000 MW,,,, permettra d'ob- tenir un gain de 40 et d'étudier plus en détails la produc- tion de tritium à partir des couvertures tritigènes, l'extrac- tion de l'énergie, etc. Enfin, un troisième réacteur, PROTO, d'une puissance de 1000 MW, devrait être un prototype industriel. Compte tenu de la durée de chaque projet (plusieurs décennies) et de leur coût, il est difficile dans le contexte actuel d'envisager une production élec- " t h`e e; ki_ ; . -- -_...t'--l" --,à- F 4 g.nj f· Figure 1. Vz (e du Tokamak ITER. Son grand rayon est de 6,2 in et son petit rayon de 2m. Le volume du plasma est de 840 n13 et l'intensité du courant associé de 15 MA. Le champ magiiéti- que toroi*dal confinant le plasma est de 5.3 T La taille d'un hoiiii,iie est indiquée en bas de lafiuiire. trique à grande échelle avant le siècle prochain. Toutefois, si l'on considérait, au niveau international, qu'il est urgent de disposer d'une nouvelle source d'énergie, ce temps de développement pourrait être raccourci. Perspectives à très long terme D'autres réactions de fusion sont possibles. L'une est d-d : d+d -<>t+P+4MeVou3He+n+3,37 MeV Son intérêt est de n'utiliser que du deutérium, ressource inépuisable sur la Terre. Toutefois elle nécessite des tem- pératures encore plus élevées que la réaction d-t. Une autre réaction possible est : d+3fle D'He + p + 18,3 MeV Son avantage est de ne produire que des particules char- gées dont on peut facilement extraire l'énergie. Par contre 1 " Heest très rare et n'existe en quantité importante que sur la lune où il est déposé par le vent solaire. Citons enfin la réaction : p+ B D 3'He + 8,7 MeV Si les ressources sont bonnes, les températures nécessaires pour réaliser cette réaction sont beaucoup trop élevées. Conclusion ITER est un projet international de grande ampleur REE No 3 Mars2006 - L'articl -9 invité o > La fusion thermonucléaire et ITER < visant à produire une puissance de fusion importante (500 MW) pendant des durées longues (de 400 s). Ce projet, qui s'étendra sur une trentaine d'années, permettra de tes- ter des composants qui seront indispensables au dévelop- pement d'un réacteur électrogène. ITER est une étape essentielle dans le développement de la fusion thermonu- cléaire pour produire de l'énergie à des fins civiles. Plusieurs étapes seront encore nécessaires avant d'attein- dre cet objectif et celles-ci se feront dans un cadre inter- national. Références Il existe de nombreux articles, livres et sites Internet consacrés à la fusion thermonucléaire et à ITER.Nous ne donnerons ici que quelques références sur ce sujet où le lecteur pourra trouver une bibliographie plus complète et d'autres sites sur Internet. PH Rebut, « L : énergiedes étoiles » La fusion nucléaire contrô- lée, Odile Jacob, 1999. J. Weisse, «La fusion nucléaire ». PUF,Collection Que sais-je, 2003. Actes de la journée organisée par ECRIN et l'OPECST le 11 octobre 2005 à lassemblée nationale " ITER,enjeux scientifi- ques, technologiqueset socio-économiques" (www.ecnn.asso.fr). http://www.cea.fr/fr/sciences/Iter/ REE ? 3 Mars2006