1. BREF RAPPEL SUR LA FUSION ET LES CARACTERISTIQUES DES MACHINES EXPERIMENTALES
   1.1. QU’EST-CE QUE LA FUSION ?
   1.2. COMMENT REALISER LA FUSION DANS UN LABORATOIRE OU DANS UN REACTEUR ? LE TOKAMAK
   1.3. LES EXPERIENCES ACTUELLES
   1.4. DE L’EXPERIMENTATION AU REACTEUR

Selon la célèbre formule e = m c² (e=énergie, m=masse, c=vitesse de la lumière), les réactions des noyaux de la matière qui peuvent donner lieu à une diminution de la masse des composants libèrent de l’énergie. Il existe deux possibilités : soit par la fission des noyaux d’atomes lourds (uranium, plutonium) utilisée dans les centrales nucléaires actuelles, soit par la fusion des noyaux d’atomes légers (hydrogène H, deutérium D, tritium T, hélium He). Au sein du soleil, ce sont les atomes légers (hydrogène) qui fusio nnent en libérant de formidables quantités d’énergie.Ces réactions sont à l’origine de la chaleur et de la lumière que nous recevons. Sur terre, c’est la réaction de fusion des noyaux de deutérium et de tritium, deux cousins (isotopes) de l’hydrogène, qui est la plus efficace. La figure ci-contre indique que les produits issus de la fusion « pèsent » moins lourds que les produits initiaux : la différence se retrouve dans l’énergie des particules finales, neutron et noyau d’hélium. Le noyau d’hélium est aussi connu sous le nom de particule alpha.

Pour que cette réaction ait lieu, les noyaux de charge positive doivent vaincre la répulsion électrostatique ; c’est possible à très haute température (plusieurs dizaines de millions de degrés) ; les constituants fondamentaux des atomes sont alors dissociés – électrons (négatifs) et noyaux (positifs) - : ils forment un milieu ionisé chaud appelé « plasma » ; c’e st le 4è état de la matière après le solide, le liquide et le gaz.
Dans le soleil et les étoiles, ce sont les forces gravitationnelles (pesanteur) qui maintiennent les conditions nécessaires aux réactions de fusion (température et pression). Sur terre, cette force n’est pas suffisante et il faut en utiliser d’autres, par exemple : des champs électriques puissants peuvent créer le plasma que l’on maintient dans un champ magnétique intense pour l’empêcher de toucher les parois. La configuration la plus prometteuse aujourd’hui est celle du Tokamak (nom d’origine russe) ; c’est une machine en forme de tore (forme géométrique similaire à une chambre à air).
Ses éléments principaux sont :
• Une chambre métallique toroïdale étanche renfermant les isotopes de l’hydrogène dans laquelle le plasma est formé, confiné et chauffé.
• Des enroulements électriques ou bobines, destinés à créer les champs magnétiques intenses qui empêchent tout contact entre plasma et les parois de la chambre. Certaines assurent le guidage du plasma autour de l’axe du tore et d’autres, la stabilité. Pour ne pas consommer d’énergie, toutes les bobines devront être supraconductrices dans les machines futures.
• Le système cryogénique qui est chargé d’abaisser la température des bobines créant les champs magnétiques à des températures proches du zéro absolu (-269 °C) pour les rendre supraconductrices.
• Les circuits magnétiques en fer qui, associés aux bobines, constituent un transformateur. Le secondaire est l’anneau de plasma dans lequel circule un courant de plusieurs millions d’ampères.
Le deutérium et le tritium sont préparés et approvisionnés hors de la chambre. Ils sont introduits autant que de besoin dans cette enceinte préalablement mise sous un vide poussé. Lorsque le champ magnétique est établi et les gaz deutérium et tritium introduits, une tension appliquée sur le primaire du transformateur initialise le plasma dans l’enceinte (secondaire du transformateur). Le plasma se comporte comme une résistance électrique et chauffe par effet joule pour atteindre des températures très élevées (de l’ordre de 20 millions de degrés).
Au delà de cette température, le plasma perd progressivement sa capacité de résistance au passage du courant et l’effet devient de moins en moins efficace. Ces températures sont trop basses pour obtenir l’ « ignition », c’est à dire une réaction de fusion dégageant suffisamment d’énergie pour s’entretenir elle même. Il faut ajouter des dispositifs annexes pour augmenter la température. Ces chauffages « additionnels » sont basés sur l’utilisation d’ondes à haute fréquence (comme dans un four à micro-ondes) qui transmettent leur énergie aux ions ou aux électrons selon leur fréquence ou bien sur l’injection de particules accélérées (échange d’énergie par collisions).

Depuis longtemps la communauté Fusion a cherché à définir ce que pourrait être le réacteur du futur. On dispose donc d'études, régulièrement remises à jour, qui fixent les contours et parfois les détails de ce que pourrait être un réacteur de fusion. Son principe est montré dans le schéma ci-contre.
Comme indiqué précédemment, le mélange combustible deutérium-tritium est injecté (1) dans une chambre à vide où, grâce aux champs électriques et au confinement magnétique, il passe à l'état de plasma et brûle (2). Ce faisant, le réacteur produit des cendres (les atomes d'hélium) et de l'énergie sous forme de particules rapides ou de rayonnement (3). L'énergie produite sous forme de particules chargées et de rayonnement, s'absorbe dans un composant particulier, la "première paroi" qui, comme son nom l'indique, est le premier élément matériel rencontré au-delà du plasma. L'énergie des neutrons qui apparaît sous forme d'énergie cinétique est, quant à elle, convertie en chaleur dans la couverture générant du tritium (4), élément au-delà de la première paroi, mais néanmoins à l'intérieur de la chambre à vide. La chambre à vide elle-même est le composant qui clôt l'espace où a lieu la réaction de fusion. Première paroi, couverture et chambre à vide sont bien évidemment refroidies par un système d'extraction de la chaleur. La chaleur est utilisée pour produire de la vapeur et alimenter un ensemble classique turbine et alternateur producteur d'électricité (5).
Les combustibles pour la fusion sont abondants : le deutérium est abondant dans l'eau de mer (33 g/m3) et le tritium sera à terme produit à partir du lithium très abondant également (20 mg/kg dans la croûte terrestre et 180 mg/m3 dans les océans).

ITER est le fruit d’une collaboration internationale unique et qui n’a, à ce jour, aucun autre exemple. Lors du Sommet de Genève en Novembre 1985, l'Union Soviétique proposait de construire la prochaine génération de tokamak sur la base d'une collaboration internationale entre les partenaires majeurs du programme fusion. En octobre 1986, les Etats-Unis, l'Europe (à laquelle est associé le Canada) et le Japon répondaient favorablement à cette proposition et se regroupaient sous les auspices de l'Agence Internationale de l'Energie Atomique (AIEA). Le projet ITER est ainsi né.
Aujourd’hui, au niveau international, les différents acteurs sont : l’Union européenne, le Japon, la Russie, les USA, la Chine et la Corée du Sud.
La cheville ouvrière est le ITER International Team. Cette équipe conduit depuis 1992 les études d’ingénierie détaillée d’ITER. Elle est garante de la préservation du dossier.

Un problème important à résoudre est le transport des pièces lourdes et/ou encombrantes. Les éléments les plus volumineux à transporter sont les 18 bobines toroïdales (14,3 m de long sur 9 m de large) ; les éléments les plus lourds sont les secteurs de 40° de l’enceinte à vide (575 tonnes).
Les autres bobines (26 m de diamètre) seront fabriquées sur place si Cadarache est retenu.