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ITER(La réaction)
1er mars 2003
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1-1 LA REACTION
Dans la fusion thermonucléaire, des noyaux d’atomes légers (isotopes de l’hydrogène) fusionnent (s’associent) pour donner : Le noyau d’un atome plus lourd, l’Hélium (He) , des neutrons (n) et de l’énergie. Ce sont des réactions de ce type qui produisent l’énergie rayonnée par le soleil.
Parmi plusieurs réactions envisageables, celle qui est actuellement la plus facile à réaliser est la fusion du Deutérium (D) et du tritium (T) qui sont deux isotopes de l’hydrogène.
La réaction s’écrit : D + T --- > He + n + énergie
Pour un gramme de mélange l’énergie libérée est de 100.000 kWh, l’équivalent de l’énergie dégagée par la combustion de 8 tonnes de pétrole.
Or le Deutérium est abondant dans la nature, chaque mètre cube d’eau en contient 35 g. De son coté le tritium (instable et radioactif avec une période de 12.3 années) peut être obtenu à partir d’un élément (le Lithium) lui même relativement abondant. En principe, on a donc à notre portée une source d’énergie aux réserves quasi inépuisables ...
1-2 LES CONDITIONS DE LA REACTION
Il faut porter la température du mélange à 100 millions de degrés au moins .
La fusion de deux noyaux ne se réalise que s’il peuvent s’approcher suffisamment l’un de l’autre, or ils sont chargés électriquement et se repoussent fortement. Pour vaincre cette répulsion il faut les lancer à grande vitesse l’un contre l’autre et un moyen « simple » d’y arriver est de porter le mélange à très haute température.
Vers 100 millions de degrés on commence à avoir un nombre significatifs de chocs et la réaction de fusion démarre. A de telles températures (entre 100 et 200 millions de degrés) le mélange est appelé plasma.
Dans la bombe H ( dite bombe à hydrogène) cet allumage est réalisé par une bombe atomique à fission. La réaction de fusion ainsi déclenchée se propage alors sans contrôle dans le mélange Deutérium/Tritium
Pour produire de l’énergie, le mélange (plasma) doit être assez chaud, assez dense et cela pendant un temps suffisant.
Pour avoir une installation qui produise de manière contrôlée de l’énergie, une première étape (break-even ) est atteinte lorsque la puissance libérée par la réaction est au moins égale à celle que l’on doit fournir pour le chauffage.
La deuxième étape (ignition ) est atteinte lorsque la puissance produite par la réaction suffit à l’entretenir sans nouvel apport extérieur.
Cette condition est réalisée (critère de LAWSON) lorsque le produit nTt (n nombre de noyaux par unité de volume, T température, t durée de vie du plasma) atteint une valeur suffisante. Ce critère de Lawson peut se résumer en disant que pour que la réaction s’entretienne, Il faut que le plasma soit assez dense, assez chaud et qu’il reste confiné un temps suffisant.
Pour illustrer ce que représentent ces deux étapes, breakeven et ignition, on peut comparer à l’allumage d’un feu de bois classique : L’amorçage du feu se fait avec une allumette, du papier et des brindilles de petit bois. L’énergie dégagée par cette amorce enflamme ensuite les bûches. Pour que le feu démarre il faut que la combustion du papier et du petit bois arrive à enflammer les premières bûches (breakeven. Pour que le feu prenne définitivement (ignition) il faut que l’énergie dégagée par la combustion des bûches enflammées soit suffisante pour entretenir le feu et le propager à l’ensemble sans avoir à rajouter du papier ou du petit bois. Si les premières bûches enflammées s’éteignent on a atteint le breakeven mais pas l’ignition.
Dans le domaine thermonucléaire le breakeven n’a pas encore été atteint dans les appareils les plus performants existant (JET). Le premier objectif avec ITER est d’atteindre le breakeven et d’obtenir une puissance fournie par la réaction de fusion de 5 à 10 fois supérieure à celle fournie pour le chauffage du mélange. On aurait alors un amplificateur de puissance. La réalisation de l’ignition serait une étape ultérieure.
Comment contenir ce mélange ? le problème du confinement
Aucun récipient matériel ne peut contenir (confiner) un plasma à de telles températures.
Deux voies sont actuellement explorées pour obtenir un temps de confinement suffisant et atteindre l’ignition :
Le confinement magnétique : On oblige, à l’aide de champs magnétiques, les particules chargées électriquement qui constituent le plasma à circuler à l’intérieur d’un volume fermé. Mais l’étanchéité et la stabilité de ces « bouteilles magnétiques » sont difficile à obtenir surtout lorsque la densité du mélange augmente. Il faut alors augmenter la durée du confinement. Il faut noter que les neutrons produits par la réaction sont des particules non chargées qui ne sont pas piégées par les champs magnétiques. Porteurs des 4/5 de l’énergie produite par la réaction, ces neutrons vont donc frapper les parois matérielles qui entourent à distance ces bouteilles magnétiques, les chauffer fortement et activer les matériaux qui les constituent. Les neutrons sont absorbés par la paroi matérielle qu’ils ne doivent pas franchir.
. C’est ce type de confinement qui est envisagé dans le projet ITER.
Le confinement inertiel Le mélange est contenu dans des petites sphères (1/2 mm de diamètre) que l’on comprime et chauffe très rapidement ( en moins d’un milliardième de seconde) en faisant converger sur elles plusieurs faisceaux lasers de grande puissance. On espère ainsi atteindre une densité élevée qui compensera la durée très faible du confinement réduite ici à la durée d’implosion de la sphère. Ce procédé est lié aux recherches sur les lasers de puissance qui sont faites en France sous contrôle militaire dans le cadre du projet « mégajoule » au BARP près de Bordeaux
1-3 LE PRINCIPE D’UNE INSTALLATION DE FUSION CONTROLEE (type TOKAMAK)
Bien que l’on soit encore très loin de pouvoir envisager un prototype, on en imagine déjà quelques caractéristiques. L’option choisie pour le confinement est celle d ’un TOKAMAK dans lequel le plasma est confiné dans un volume torique (forme d’une chambre à air) grâce à des champs magnétiques. Ce concept mis au point en URSS s’est imposé comme le plus performant pour atteindre les conditions d’une réaction de fusion contrôlée.
La chaleur dégagée par la réaction de fusion serait utilisée, à travers un échangeur de chaleur (partie inférieure du schéma), pour faire fonctionner une turbine qui fournirait de la puissance électrique.
Le Tritium, instable et radioactif, serait produit dans l’enceinte même par l’action de neutrons sur une couche de lithium qui tapisserait intérieurement l’enceinte.
Le schéma de l’installation serait grossièrement le suivant (sur ce schéma ne figurent par les dispositifs qui créent les champs magnétiques nécessaires au confinement ni le dispositif d’allumage).
Les principales fonctions que devront assurer une installation de ce type sont :
L’allumage du mélange gazeux initial.
Dans le JET , précurseur du projet ITER, Cet allumage est réalisé par un courant électrique intense de plusieurs millions d’ampères dans le plasma qui joue le rôle de secondaire d’un transformateur. il est complété par l’injection d’atomes neutres préalablement accélérés et l’action d’ondes électromagnétiques de haute fréquence.
Cela est réalisé (JET) par des courants électriques intenses circulant dans des bobines et par le courant électrique qui traverse le plasma lui même. Pour éviter l’échauffement des bobines conductrices elles doivent être refroidies à des températures très basses, proches du zéro absolu (-273°C) et n’offrent alors aucune résistance au passage du courant (bobines supraconductrices).
Le plasma est alors confiné dans une zone torique (forme d’une chambre à air) sans contact avec les parois matérielles entre lesquelles il évolue.
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