B) La fusion thermonucléaire

1.Principe physique

La fusion thermonucléaire consiste à porter un gaz à très haute température. Pour comprendre comment se comporte la matière à ces températures anormalement élevées, nous allons tout d’abord essayer de comprendre de quoi est composé la matière.

La matière s’organise différemment selon la température de son milieu. Un gaz porté à très hautes températures sera sous forme de plasma. Les molécules présentes dans un gaz se cognent plus ou moins souvent selon la température, plus la chaleur d’un gaz est élevée, plus les molécules vont entrer en collision. Celles-ci vont se briser et vont donner des atomes non liés entre eux. La liaison entre le noyau et les électrons va ensuite se briser du fait des heurts entre atomes de plus en plus fréquents.

Les atomes perdant progressivement leurs électrons, vont donner naissance à des ions. On dit que le gaz s’ionise. Le gaz est alors composé d’ions et d’électrons libre. Comme ce gaz sera électriquement chargé, il sera sensible aux champs magnétiques.


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Plasma dans un réacteur à fusion nucléaire


Maintenant que le plasma est défini, nous allons nous intéresser plus précisément à la fusion. La fusion est une réaction nucléaire entre deux noyaux simples qui vont former un noyau plus gros.

Prenons pour exemple la réaction de fusion observable à l’intérieur des étoiles. Une étoile est essentiellement composé d’hydrogène noté 11H.

L’immense nuage d’hydrogène va se contracter du fait de la gravitation universelle. Les atomes d’hydrogène vont « tomber » vers le noyau en prenant de la vitesse. L’augmentation de la vitesse des atomes d’hydrogène va engendrer une augmentation du nombre de collisions entre les atomes d’hydrogène et donc une augmentation de la température du gaz hydrogène. A partir d’une température de  plusieurs milliers de degrés Celsius, le gaz va devenir un plasma.

La réaction de fusion nucléaire va alors commencer. Deux atomes d’hydrogène vont fusionner pour donner un atome de deutérium, isotope de l’hydrogène de symbole 12ou 12H, un positron (ce phénomène n’est pas compris par les scientifiques à l’heure actuelle) et un neutrino qui permet la conservation de l’ énergie cinétique. Cette réaction dégage aussi de l’énergie. Le positron et le neutrino sont produits suite à la transformation d’un proton en neutron. La deuxième étape est la fusion d’un atome de deutérium et d’un atome d’hydrogène en hélium 3, de symbole 23He, en émettant des rayons  (les rayons  sont des rayonnements produits lors de la désexcitation des atomes). La dernière étape de la fusion nucléaire dans le soleil est la fusion de deux atomes d’hélium 3 pour donner un atome d’hélium 4, de symbole 24He, et deux protons.


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Schéma symbolisant les différentes étapes de la fusion nucléaire dans un soleil

 

Maintenant que nous avons expliqué le principe de la fusion nucléaire dans le soleil, nous allons revenir à la fusion nucléaire utilisée par l’Homme dans les réacteurs à fusion nucléaire. Cette dernière consiste à faire fusionner un atome de deutérium et un atome de tritium noté  13ou 13H pour former un noyau d’hélium et un neutron. Voici l’équation de la réaction nucléaire :

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Les scientifiques ont choisi cette réaction car elle est très énergétique. Nous allons déterminer la quantité d’énergie émise par cette réaction :

- On calcule premièrement la différence de masse entre les produits et les réactifs :

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Le système a donc perdu de la masse, c'est-à-dire de l’énergie d’après la théorie de la relativité restreinte d’Einstein.

- On peut maintenant déterminer la quantité d’énergie libérée avec l’équivalence d’Einstein suivante :

 

emc2.png

Application numérique :

nrj-fusion.png

Le système a perdu l’équivalent de 17,6 MeV. Cette énergie se retrouve dans l’énergie cinétique des produits, principalement dans le neutron. En effet l’énergie cinétique de ce neutron ultra-énergétique est équivalente à 14,1MeV. Ce neutron est le principal intérêt de la fusion thermonucléaire, en effet son énergie est récupérée sous forme de chaleur qui est par la suite transformée en électricité.

Cette réaction qui de prime abord semble simple est très difficile à réaliser sur terre. La température du plasma doit atteindre 150 millions de degrés Celsius pour que celui-ci s’auto-entretienne. De plus une fusion stable n’est possible que si le critère de Lawson est respecté. Ce critère présente les conditions qu’il faut réaliser pour faire s’entretenir la réaction de fusion.

 

La fusion s’entretient ainsi lorsque :

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Schéma représentant les performances des différents réacteurs en fonction de la température du plasma 

Cette valeur mesure la performance globale d’un réacteur à fusion. Cette condition est très dur à mettre en œuvre sur terre car la compression extrême de la matière nécessitée demande de développer des technologies aux limites des techniques humaines. C’est pourquoi Mikhaïl Gorbatchev, dirigeant de l’URSS entre 1985 et 1991, et Ronald Reagan, président des Etats-Unis entre 1981 et 1989, lancent le projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)  en 1985. Le but du projet ITER est de démontrer la faisabilité technologique et scientifique de l’énergie de la fusion, pour en ouvrir la voie à l’exploitation industrielle et commerciale.

2. Application dans un réacteur nucléaire

La mise en pratique de la fusion nécessite un système devant répondre aux exigences de celle-ci, autrement dit, résister à des températures très élevées et à l'érosion, tout en obtenant des rendements maximums. C'est pourquoi une centrale à fusion doit répondre à bon nombre de contraintes, sans quoi elle ne pourra pas fonctionner.

 

Tout d'abord, la forme spéciale du tokamak et le confinement du plasma. En effet, le plasma, gaz ionisé qui est le siège des réactions de fusion, est un gaz composé de particules chargées positivement qui atteignent des vitesses de l'ordre de 1000 km.s-1. Or le plasma est chauffé à environ 100 million de degrés, empêchant tous contacts avec des parois matérielles. Se posent alors les questions du confinement du plasma et de la forme du réacteur qui permettrait d'obtenir des résultats satisfaisants.

 

Dans les étoiles, la gravité est suffisante pour retenir les particules du plasma, du fait de leur masse, mais celle de la Terre est insuffisante pour retenir ces particules. Le confinement doit donc se faire par un autre moyen. Comme dit précédemment, les particules du plasma sont chargées positivement, un confinement magnétique est donc envisageable pour contenir le plasma. Cependant, ce confinement doit se faire dans un circuit fermé pour ne pas perdre de particules. De plus, des lignes de champ magnétique en forme de cercle conduisent à une dérive verticale au cours du temps. La solution trouvée pour contrer cette dérive est une forme de tore et des bobines dans lesquelles un courant électrique très fort circule. Ce système, appelé tokamak permet aux particules de s'enrouler autour du plasma qui prend une forme de tore.

 

Une fois la forme du réacteur et le champ magnétique obtenus, il faut introduire les réactifs, autrement dit le deutérium et le tritium. Ces deux isotopes sont injectés, soit sous forme gazeuse, soit sous forme de glaçons. Une fois les réactifs introduits, il faut les chauffer jusqu'à atteindre une température avoisinant les 100 million de degrés. Pour y parvenir, trois moyens de chauffage sont possibles. Le premier est le chauffage ohmique. Il consiste à faire passer un courant électrique dans un gaz qui contient des ions et des électrons. Le courant électrique va accélérer les particules causant le choc de ces particules avec d'autres et libérant ainsi leur énergie. Ce chauffage consiste en une réaction en chaine, mais nécessite, soit un champ magnétique croissant, soit un champ magnétique décroissant ; et un courant électrique très fort ; limitant alors la période pendant laquelle la fusion a lieu, du fait de la baisse du champ magnétique.

Un autre moyen de chauffage existe : le chauffage par injection d'atomes neutres. Le souci est qu'un atome neutre ne peut être accéléré. Il faut donc les modifier en ions pour les accélérer, puis, juste avant l'introduction dans le plasma, leur rendre leur état initial, pour ne pas souiller le plasma. Premièrement, les atomes sont placés près d'une source émettrice d'électrons d'énergie suffisante, ces électrons entrainent une ionisation du gaz. Puis les ions ainsi créés sont envoyés près d'électrodes qui en plus d'accélérer les ions, créent un faisceau qui permet de « ranger » les ions selon une certaine forme géométrique. À  la sortie de l'accélérateur, les ions passent par le neutraliseur : il s'agit d'un gaz maintenu sous faible pression et qui permet, lors du passage des ions, de leur apporter l'électron qui leur manque. Cependant, cette opération ne fonctionne pas pour tous les ions, et certains n'acquièrent pas l'électron manquant ; c'est pourquoi un aimant est placé au bord du neutraliseur, permettant ainsi de récupérer les ions. Les atomes, électriquement neutres, peuvent ainsi traverser le plasma et atteindre son cœur, point le plus important à chauffer. Cependant, une fois arrivés au cœur du plasma, les atomes, à cause de leur vitesse, perdent un électron et redeviennent ainsi des ions, subissant le champ magnétique.  Mais ce dispositif pose un problème, du fait que les ions, se déplaçant à une vitesse trop élevée, n'arrivent pas à capter l'électron qui leur manque. Pour contrer cet inconvénient, l'utilisation d'ions négatifs a été pensée, de sorte à ce que les ions perdent leur électron en excès, grâce à leur vitesse, et redeviennent ainsi des atomes électriquement neutres.

Enfin le chauffage par ondes hautes fréquences est le dernier moyen de chauffage utilisé. Il consiste en l'émission de signaux hautes fréquences, qui sont très énergétiques, ce qui permet donc de transmettre cette énergie aux particules et donc de chauffer le plasma. Cependant, il faut que la fréquence de ces signaux correspondent soit à la fréquence de mouvement des ions ( signaux cyclotroniques de fréquences comprises entre 30 et 100 MHz), soit à la fréquence du mouvement des électrons ( signaux cyclotroniques des électrons de fréquences d'environ 100 gHz, étant donné que la masse des électrons est plusieurs milliers de fois inférieure à celles des ions).

Le premier cas, celui des signaux dont la fréquence est comprise entre 30 et 100 MHz, permet le chauffage par agitation des ions, qui par collisions successives transmettront leur agitation, et donc la chaleur. Le second, c'est-à-dire le chauffage par signaux de plus hautes fréquences, pose un problème principal : il n'existe à ce jour aucun émetteur industriel capable de fournir des fréquences aussi élevées. C'est pourquoi, le recours à un mode de chauffage hybride est parfois nécessaire : la fréquence des signaux envoyés se trouvent entre les fréquences vues ci-dessus et est réalisable puisque de tels émetteurs existent déjà dans le monde industriel. En plus d'un chauffage efficace, ces signaux hautes fréquences permettent d'ordonner l'énergie transmise, et de faire circuler un courant dans le plasma.

 

Un des points essentiel des composants d'un tokamak n'est autre que les matériaux dont il est constitué, et notamment les matériaux face au plasma.

Ces matériaux doivent répondre à un certain nombre de contraintes, telles que la résistance au choc par des neutrons de haute énergie, la résistance à la chaleur, même si elle est inférieure au niveau des parois que dans le plasma et surtout  leur placement de sorte à ce qu'une interface efficace entre ces derniers et le plasma soit réalisée. Premièrement, les matériaux qui composent les parois doivent résister et/ou obéir à différentes contraintes :

la paroi ne doit pas absorber d'éventuels gaz émis par le plasma, sans quoi un relâchement pourrait survenir, pouvant peut être conduire à un accident

les neutrons qui viennent frapper la paroi avec une vitesse considérable, peuvent contribuer à l'érosion de la paroi, causant ainsi non seulement son usure précoce, mais aussi et surtout la pollution du plasma par des particules provenant de la paroi et qui refroidirait inévitablement le plasma

un échauffement de la paroi à cause des grandes quantités d'énergie produites pourrait conduire à sa vaporisation locale, engendrant les mêmes conséquences que l'aspect précédent

les matériaux ne doivent pas réagir chimiquement avec les réactifs ( tritium et deutérium ) sans quoi des hydrocarbures pourraient être formées et pourraient donc contaminer le plasma.

La contamination de seulement 1% du plasma conduirait à son inefficacité totale, il est donc impératif d'utiliser des matériaux répondant aux besoins expliqués ci-dessus. Il est plus intéressant, du fait des ressources plus rares de tritium, de superposer sur les parois une couverture dite tritigène, composée de lithium. En effet, le tritium peut être produit artificiellement par fission de l'atome de lithium, or lors de la réaction de fusion, un grand nombre de neutrons se déplaçant à une vitesse considérable vient percuter la paroi. Ainsi, les atomes de lithium sont percutés par des neutrons, entrainant leur fission et donc la production de tritium. Autre pièce importante : le diverteur. Cette pièce, très imposante  (648 tonnes ) se situe sur la partie inférieure du tokamak. Son rôle est comparable à celui d'un cendrier : en effet, il récupère les atomes d'hélium produits durant la réaction. Cet élément, pour fonctionner, recevra une importante quantité d'énergie (de l'ordre de 10MW/m²), mais devra aussi faire l'objet d'une attention particulière, notamment par rapport à la distance qui le sépare du plasma. En effet, actuellement, les diverteurs sont majoritairement composés de tungstène, cependant, malgré sa solidité, ce métal s'érode assez rapidement à cause des conditions régnant dans le tokamak. C'est pourquoi cette composition ne peut être envisagée pour les futurs tokamaks. De plus, le choix des matériaux est tout aussi important dans le cœur du tokamak, que dans la composition des bobinages qui permettent la création et le maintien du champ magnétique, autrement dit, le confinement du plasma.

 

Le confinement, qui a déjà été abordé plus tôt, se fait grâce à un champ magnétique. Nous avons aussi vu que le chauffage par ondes hautes fréquences permettait de le renforcer. Mais intéressons nous désormais aux bobinages qui permettent ce confinement magnétique. Tout d'abord,  et vu le champ magnétique requis pour confiner le plasma, il serait aberrant d'utiliser du cuivre pour faire circuler le courant électrique, ce qui aurait pour effet de consommer une quantité énorme d'électricité. Il fallait donc trouver un moyen de réduire au minimum l'effet Joule ( production de chaleur pour tout objet conduisant un courant électrique, autrement dit, perte d'une partie de l'énergie ). La solution a été trouvée : en effet, en portant certains alliages ( niobium et étain pour les bobines toroïdales et le solénoïde ; et niobium/titane pour les bobines poloïdales ) à une température avoisinant le zéro absolu ( -273,15°C, ou 0 K), grâce à de l'hélium liquide, la perte de chaleur disparaît, et permet ainsi un fonctionnement optimal. Ces bobinages se composent donc de différentes parties :

le solénoïde central : il assure la production et la circulation du courant électrique qui permet le confinement du plasma

les bobines de champ toroïdal : pour le cas d'ITER, elles délivrent une énergie magnétique de 41 gigajoules et pèsent 6450 tonnes. Elles permettent de confiner les particules du plasma

les bobines de champ poloïdal : elles permettent d'éviter que le plasma ne touche les parois, mais permettent aussi d'assurer le maintien de la forme et de la stabilité du plasma

 

Mais que deviennent les déchets de la fusion ? Le principal déchet de la réaction est bien entendu l'hélium, or il n'est pas radioactif et ne contribue pas à l'effet de serre, c'est donc un déchet « propre » que l'on peut relâcher dans l'atmosphère sans risque puis qu'il s'élève  (étant plus léger que l'air ) et quitte l'espace terrestre. Restent cependant les déchets secondaires, c'est-à-dire les composants du tokamak qui ne sont plus opérationnels et qui sont contaminés, du fait des bombardements successifs de neutrons à haute énergie. Ces déchets restent néanmoins environ cent fois moins radiotoxiques que les déchets de fission et surtout restent radioactifs beaucoup moins longtemps.

 

Finalement, l'énergie produite est récupérée grâce à un système similaire à celui présent dans une centrale à fission : un circuit d'eau passe près de la chambre et est donc chauffée jusqu'à produire de la vapeur, qui fait tourner une turbine et produit ainsi de l'électricité.

Voici le schéma d'un tokamak, comportant les différents éléments décrits précédemment :

iter-reacteur.gif

Schéma d’un réacteur à fusion de type tokamak

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