FUSION THERMONUCLÉAIRE CONTROLÉE   (J. Peulvé)
1. INTRODUCTION
2. UTILISATION DE L'ENERGIE NUCLEAIRE
3. LA FUSION
4. LE PLASMA
5. LA RÉACTION DE FUSION
6. LE TOKAMAK 
7. L'EVOLUTION DES REACTEURS
8. TORE SUPRA
9. CONCLUSION

  1. INTRODUCTION
    Le remplacement de l'énergie fossile, largement exploitée au cours des deux derniers siècles, risque de se poser à moyen terme. Le charbon et le gaz (Lacq) ont disparu de notre territoire, le choc pétrolier de 1973 a conduit la France, afin de ne pas être totalement dépendante des importations, à se reporter sur d'autres sources : l'hydraulique et toutes les énergies renouvelables (biomasse, géothermie, éolien, marée motrice, solaire thermique, photovoltaïque, etc,, mais ces dernières restent en voie de développement) et l'énergie nucléaire.
  2. UTILISATION DE L'ENERGIE NUCLEAIRE
    Vers la fin du dix-neuvième siècle et surtout au cours de la première moitié du vingtième, les avancées remarquables de la physique nucléaire ont ouvert des horizons nouveaux avec la découverte de deux réactions fondamentales, depuis l'origine de l'Univers :
    • la ”fission” des éléments chimiques les plus lourds (voir la classification de Mendeleïev), par exemple de l’uranium 235, dont la cassure du noyau engendre des éléments plus légers en dégageant de l’énergie, c'est la réaction utilisée dans tous les réacteurs électronucléaires actuellement en fonctionnement,
    • la ”fusion” des éléments les plus légers, à l’autre extrémité de la même classification, deux noyaux d'isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium, qui en "fusionnant" engendrent un élément plus lourd, l’hélium, en dégageant également une grande quantité d'énergie.
    Dans les deux réactions nucléaires citées, la matière devient source d’énergie, comme le prévoit l’équation d’Einstein E = mC2 (E l'énergie d'un corps est équivalente à sa masse multipliée par le carré de C la vitesse de la lumière dans le vide soit 300 000 kilomètres par seconde). Ces deux réactions ont apporté une avancée énergétique très prometteuse et de longue durée.
    Finalement, sous le contrôle de l'homme, la fusion pourrait reproduire les énergies que le soleil nous prodigue par ses réactions thermonucléaires et qui ont permis l’apparition de la vie sur terre.


  3. LA FUSION     
    Dès 1919, Jean Perrin avait émis l'idée que la synthèse de l'hélium 4H à partir de l'hydrogène 1H permettrait de capter une fabuleuse énergie. C'est à partir de 1951 que se développèrent les recherches systématiques sur le contrôle des réactions thermonucléaires, d'abord aux USA puis en URSS, en Grande-Bretagne et en France aux centres CEA de Fontenay aux Roses, Saclay et Grenoble, regroupés en 1984 à Cadarache.
    Deux voies de recherches se sont poursuivies pour la production du plasma et la récupération de l'énergie libérée :
    • dans un champs magnétique, à l'intérieur d'une enceinte torique dénommée TOKAMAK (contraction des mots russes signifiants Tore et Magnétique, le 1er A se prononce à la russe comme un O),
    • par le bombardement d'une cible de combustible à l'aide de faisceaux laser, principe de la fusion dite inertielle. Cette voie, ébauchée au Centre CEA de Valduc, fera l'objet d'un autre article lorsque des résultats auront été obtenus par le laser méga-joules en cours de réalisation au Centre d’Etude Scientifique et Technique d’Aquitaine (CESTA) du CEA.
    Ces deux axes de recherche laissent naturellement apparaître les nombreux problèmes à résoudre :
    - choix de l’enceinte principale, conforme à une configuration close (résistante au vide poussé et à la température élevée),
    - réalisation du milieu réactif avec son alimentation en deutérium et en tritium nécessaires à la réaction,
    - obtention des températures de réaction thermonucléaire (200 à 300 millions de degrés Celsius),
    - trajectoire des particules (avec une vitesse de l'ordre de 1 000 km/s - kilomètres par seconde)
    - maintien stable du milieu ionisé (plasma) loin des parois,
    - élimination des impuretés.


  4. LE PLASMA     
    Un plasma est un fluide constitué de particules chargées, c'est le quatrième état de la matière : solide, liquide, gaz et plasma. Dans la nature, le plasma se rencontre dans le soleil, les étoiles, les queues de comète ainsi que sur terre dans l'ionosphère, les aurores boréales, la foudre. Atteignant des températures de plusieurs dizaines de millions de degrés, ces plasmas sont constitués de gaz légers, essentiellement d'hydrogène, complètement ionisés (dont les neutrons, les protons et les électrons sont séparés dans une agitation extrême). C'est ce type de plasma qui est réalisé pour obtenir la fusion. A un plus bas niveau d'énergie le plasma permet différentes applications techniques, par exemple : les écrans vidéo, les fours à plasma et les chalumeaux dont la température se situe entre 2 000 et 15 000 °C et permettent de fondre toutes sortes de matériaux.


  5. LA REACTION DE FUSION     
    Il faut tout d'abord modifier les atomes en séparant les électrons des noyaux pour créer un plasma. Puis, au sein de ce plasma, la réaction de fusion consiste à réunir un noyau de deutérium D (comprenant un neutron et un proton) et de tritium T (comportant deux neutrons et un proton) qui conduit à la production d'un noyau d'hélium 4 4He (comportant deux neutrons et deux protons) chargé d'une énergie de 3,5 MeV (megaélecton-volt) et libérant un neutron avec une énergie de 14 MeV. La difficulté de la réaction repose sur le fait qu'il faut vaincre la répulsion électrostatique qui s'exerce entre les noyaux de charge positive et ne permet leur fusion que par collision avec une vitesse suffisante : environ 1 000 km/s (kilomètre par seconde) ce qui nécessite un très long parcours dans le plasma.
    L'objectif visé dans les réacteurs est l'auto-combustion ou "ignition" du mélange D + T qui s'obtient lorsque l'énergie des particules alpha cédées au mélange permet de maintenir sa température d'environ 2.108 °C – (200 millions de degrés Celsius) sans apport d'énergie extérieure. Ces conditions sont réunies dans le réacteur dit TOKAMAK.
    Le deutérium, isotope 2H de l'hydrogène, est relativement abondant dans l'eau de mer : 0,0153%. Il est extrait par électrolyse. Il ne s'épuisera donc qu'avec la disparition de l'eau. Le tritium est l'isotope 3H de l'hydrogène. Il est radioactif mais avec une période courte de 12,56 ans. Il est obtenu à partir de réaction de fission sur le lithium.


  6. LE TOKAMAK     
    C'est le réacteur qui offre actuellement les meilleurs résultats. La méthode consiste à confiner la matière sous forme de plasma à très haute température (de l'ordre de 200 millions de degrés Celsius) par un solénoïde torique où est produit un champ magnétique intense, l'anneau de plasma qu'il contient étant lui-même parcouru par un courant toroïdal créant un champ magnétique perpendiculaire à celui du solénoïde. Les lignes de champs résultantes sont ainsi des hélices s'enroulant sur des surfaces toriques.
    1. Le transformateur avec son châssis et ses six branches.
    2. Le circuit d’induction pour l’amorçage et l’ionisation du gaz neutre.
    3. L’anneau toroïdal de gaz ionisé.
    4. Les bobines créant le champ toroïdal.
    5. Les bobines créant un champ poloïdal.
    6. Hublot d’observation ou pour l’introduction d’instruments de mesure ou de couplage d’ondes de chauffage aux fréquences cyclotrons électroniques, ioniques et hybrides.

    Source CEA




  7. L'EVOLUTION DES REACTEURS     
    L'évolution de la recherche sur les équipements de fusion par confinement magnétique peut se résumer en trois grandes étapes débutant dès le début des années 50.
    Les problèmes théoriques ont d'abord été identifiés et de nombreuses expériences ont permis d'établir les bases scientifiques du procédé.
    Puis les expérimentations se sont développées sur des Tokamak de plus en plus grands et performants, notamment en Europe où est exploité le Joint European Torus (JET) qui, avec ses 100 m3 de plasma, reste le plus grand Tokamak du monde. Il faut noter que l'ensemble des programmes européens est coordonné, depuis 1959, par une association EURATOME-CEA recouvrant toutes les recherches menées en France.
    Enfin, la période récente a débuté par deux événements marquants. Les premières expériences, en 1991, avec le mélange D–T ont été faites sur le JET avec 2 MW (mégawatts) de puissance thermonucléaire pendant deux secondes. Puis, en 1993, le Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) américain fournit à son tour 6 MW. L'autre fait marquant de la période a été le lancement officiel du projet International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) en juillet 1992. Les travaux de conception ont été effectués, sur une période de dix ans, par une équipe internationale de chercheurs qui a bénéficié du support de l'ensemble des laboratoires nationaux des quatre participants au projet : l'Europe, le Japon ainsi qu'à à moindre titre les USA et la Corée du Sud
    L'objectif du projet ITER est de maintenir à l'ignition un plasma dégageant une puissance thermonucléaire d'un GW (gigawatt = 1 000 mégawatts) pendant mille secondes. Pour atteindre cet objectif, les recherches se poursuivent pour mieux cerner la physique fondamentale et améliorer les dispositifs de confinement ainsi que les moyens de contrôle et de mesure.


  8. TORE SUPRA     
    Le projet TORE-SUPRA, lancé dès 1978 alors que le TFTR (USA), le JT 60 (Japon) et le JET (EUROPE) étaient en construction, a été conçu pour étudier les plasmas en régime quasi permanent. Entré en service opérationnel en 1988 au Centre CEA de Cadarache, les résultats obtenus, dès 1992, ont trouvé leur optimum conforme à l'objectif final en décembre 2003 et placent Tore-Supra comme le modèle pour le développement du projet ITER.

    Les particularités de Tore-Supra :
    • Son aimant supraconducteur permet un fonctionnement permanent du solénoïde torique et de son cryostat en évitant les pertes thermiques avec une consommation qui reste inférieure au mégawatt.
    • Le maintien de la configuration magnétique consistant à utiliser des ondes électromagnétiques pour entretenir et accroître le courant toroïdal initial, qui décroît quand la température s'élève du fait de l'augmentation de la résistivité du plasma. Les champs électromagnétiques (électriques et magnétiques) des ondes utilisées prennent la relève dans l'entretien et surtout l'accroissement du courant toroïdal et remplace ainsi la force électromotrice du transformateur.
    • Le refroidissement des parois du tore par une boucle d'eau pressurisée à 200 °C. Le transfert de chaleur est assuré entre le plasma et le circuit de refroidissement par des tuiles de graphite ou de composite de carbone.
    • Le "divertor ergodique" ("ergodique" est synonyme de chaotique), a fonctionné pendant 10 ans. Ce dispositif visant à éliminer les impuretés indésirables résultant des interactions plasma-paroi en perturbant la configuration du champ magnétique à l'intérieur de la chambre toroïdale.
    • L'alimentation du plasma en particules, trois méthodes sont disponibles : l'injection de gaz "classique" ou thermique (la plus couramment utilisée), l'injection de gaz supersonique par impulsion (bouffée de gaz rapide et concentrée) et enfin l'injection de glaçons d'hydrogène (système le plus complexe) à une vitesse de 4,3 km/s (kilomètres par seconde).
    …et bien d'autres éléments de recherche permettant d'accroître les performances du réacteur et de tester les développements pour ITER.


    Chambre de Tore-Supra            Source CEA

    Les résultats obtenus par Tore-Supra sont considérables :

    • dès 1992, il a permis de battre un record mondial en maintenant en équilibre quasi stationnaire, pendant plus d'une minute, un plasma traversé par un courant d'un million d'ampères grâce à des ondes électromagnétiques d'une puissance de 3 MW (mégawatts) et d'une fréquence de 3,7 GHz (gigahertz),
    • en 2002, le précédent record a été dépassé avec des décharges d’une durée de 4 minutes et demi et 750 Mj (Mégajoules) échangés,
    • le 4 décembre 2003, l'équipe EURATOME/CEA a obtenu des décharges plasma d'une durée de six minutes à plus de trois fois la température du soleil. Cette puissance était extraite, en continu, par le bouclier thermique entourant le plasma et, ainsi, plus de 1 000 Mégajoules de chaleur ont été échangés entre la source de puissance, le plasma et le bouclier thermique.

    Ces résultats illustrent également les progrès importants réalisés dans le domaine des hautes technologies telles que les aimants supraconducteurs refroidis à une température proche du zéro absolu, les procédés d’extraction de la chaleur (bouclier thermique) capables de résister, en continu, à un flux de chaleur proche de celui de la surface du soleil ou encore les méthodes de chauffage par ondes des plasmas confinés nécessaires à la réalisation de décharges de longue durée.
    Ces recherches contribuent directement au programme ITER et font partie du soutien scientifique et technique dont l’organisation internationale pourrait profiter si le réacteur expérimental était implanté à Cadarache.


  9. CONCLUSION     
    La collaboration internationale a permis de démontrer la faisabilité des hypothèses théoriques sur la fusion thermonucléaire contrôlée magnétiquement.
    Mais il reste à accomplir de très importantes avancées scientifiques et techniques pour atteindre la mise en exploitation industrielle d'un premier réacteur et en démontrer l'intérêt économique. Avant de le réaliser, les recherches tant fondamentales que technologiques qui devront être développées nécessiteront des moyens humains et financiers considérables. Ceci ne peut se concevoir que dans le cadre d'une coopération internationale de longue haleine. La fusion offre des avantages considérables :
    • utilisation d'un combustible inépuisable à l'échelle humaine car provenant de l'air et de l'eau de notre planète,
    • absence de déchets liés au combustible,
    • faible radioactivité à vie courte des structures,
    • grande sécurité intrinsèque due aux deux caractéristiques précédentes,
    • risques accidentels ou provoqués limités aux seuls sites du réacteur, d'où sa grande facilité d'implantation à proximité des lieux de consommation.
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Association des Retraités du groupe CEA, indépendante de l'Etablissement Public de Recherche             haut de page —>>haut de page