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La fusion nucléaire
| Date de l'intervention | Mercredi 12 novembre 2003 | | Nom de l'intervenant | Pierre Petiau | | Organisme | Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3 - CNRS) | | Compte-rendu réalisé par | Claire (clr952003) et Solenn (yesso95) | | Illustrations | publiées avec l'aimable autorisation de Monsieur Petiau (IN2P3) | | Encadrants | Eric Pellier et Muriel Blot |
Depuis toujours, la fusion thermonucléaire est pratiquement à l’origine de toute énergie sur Terre puisque c’est d’elle que résulte l’énergie solaire, elle-même à l’origine des combustibles fossiles…Depuis l’explosion de la première bombe thermonucléaire en 1952, des recherches incessantes sont menées en laboratoire pour tenter de maîtriser la réaction de fusion qui pourrait, au sein d’un réacteur, produire de l’électricité…
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L’énergie est une grandeur qui se mesure en Joule (noté J), cette unité étant cependant inadaptée pour des échelles microscopiques, on utilise alors l’électron volt (noté eV).
La température est la manifestation de l’agitation des particules, c’est à dire de leur énergie cinétique, et plus la température d’un corps est élevée, plus son énergie cinétique l’est aussi et donc la vitesse des particules qui le constituent.
En physique, les températures se mesurent souvent en degrés Kelvin (noté °K), on les appelle alors aussi températures absolues T. Le zéro absolu y est pris comme origine de l’échelle des températures, celui-ci correspond à une température de –273,16°C. Tous les constituants de la matière sont alors au repos.
Dans un gaz, l’énergie cinétique (en eV) est proportionnelle à la température absolue. Lorsque la température est de 100 millions de °K, l’énergie cinétique des constituants de la matière est d’environ 10 keV. L'origine de l'énergie nucléaire |
Les rédactrices en plein action |
Dans certaines conditions, les noyaux de certains éléments légers peuvent s’assembler en un noyau plus lourd : cette réaction de fusion libère de l’énergie car, entre l’état initial et l’état final, un peu de la masse des corps en jeu a disparu. De même, dans la fission, un noyau très lourd se coupe en deux noyaux plus léger, dont la somme des masses est un peu plus faible que celle du noyau de départ. La quantité d’énergie libérée dépend de cette différence de masse entre les noyaux de l'état initial et ceux de l'état final, suivant la célèbre formule E = mc2 où E est l’énergie produite (en J), m la masse disparue (en kg) et c la vitesse de la lumière dans le vide (c= 3,00.108 m.s-1). |
Un jus de fruit bien mérité ! |
On appelle énergie de liaison d'un noyau (notée El) l'énergie que doit fournir le milieu extérieur pour séparer ce noyau au repos en ses nucléons libres au repos. Plus Eℓ est grande, plus le noyau est fortement lié, et plus sa masse est réduite par rapport à la somme de celles de ses constituants.
On constate que l’énergie de liaison par nucléon (Eℓ/A) est à peu près la même (environ 8 MeV) pour tous les noyaux. Mais, quand on regarde plus en détails, on constate que Eℓ/A augmente d’abord avec A dans les noyaux légers, puis atteint un maximum très large d’environ 8,8 MeV pour A autour de 55 - 60 dans la région du Fer, puis redescend doucement au delà jusqu’à 7,6 MeV pour l’Uranium.
Ceci explique pourquoi, lorsque l’on fissionne un noyau d’uranium très lourd (A=235) en deux noyaux plus légers (A1=130 et A2=105 par exemple), la somme des énergies de liaison de A1 et A2 est plus élevée que celle de l’uranium initial. La somme des masses de A1 et A2 est donc plus faible que celle de l’uranium, et la fission libère donc l’énergie correspondante.
De même, lorsque que l’on fusionne des noyaux très légers A1 et A2 en un seul noyau plus lourd, l’énergie de liaison du produit final est plus forte que la somme des énergies de liaison des deux noyaux A1 et A2 : la masse du système diminue donc et il y a encore libération d’énergie. |
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La fusion dans les étoiles |
| | A l’origine de la formation d’une étoile, la gravitation rassemble un grand nombre d’atomes d’hydrogène, il en résulte une énorme compression de ce nuage et une augmentation de la température et donc de l’énergie cinétique des atomes. Ceux-ci sont alors ionisés, les électrons sont arrachés aux atomes d’hydrogène qui forment alors des protons H+, on ne parle alors plus de gaz mais de plasma. Cette énergie cinétique très élevée (» 10 keV dans le Soleil, ce qui correspond à une température de 100 millions de °K – voir plus haut) permet non seulement de ioniser les atomes d’hydrogène mais aussi de compenser la force coulombienne, barrière répulsive pour deux ions de même charge. La fusion de deux protons H+ est alors possible.
Dans le Soleil, plusieurs réactions sont cumulées pour transformer de l’hydrogène (A=Z=1) en hélium (A=4 et Z=2). Le premier maillon de cette chaîne de réactions est :
Cette réaction est très peu probable car elle nécessite, pour former un noyau de deutérium (noté D ci-dessus), la transformation d’un proton en neutron. C’est ce que l’on appelle une interaction nucléaire faible. Bien que le Soleil contienne 1060 protons H+ et que deux de ces protons entrent en collision 1 million de fois par seconde, ils n’ont qu’une chance sur 10 milliards de fusionner par an ce qui garantie une très longue durée de vie (à notre échelle temporelle !) au Soleil.
Deux autres réactions s’enchaînent :
Ces réactions provoquent une diminution de la masse du Soleil de 4 millions de tonnes par seconde, ce qui entraîne une libération d’énergie considérable.
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| | Les différentes réactions de fusion envisagées |
La réaction qui a lieu dans le Soleil n’est pas envisageable sur Terre, il faudrait une quantité considérable d’hydrogène pour que la première réaction ait une chance de se produire. Plusieurs réactions sont cependant possibles parmi lesquelles la fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium (noté t ci-dessous):
L’énergie cinétique totale libérée est de 17,6 MeV mais c’est le neutron qui en emporte la plus grande partie.
Celui-ci sera, de plus, récupéré dans la couverture du réacteur pour réagir avec le lithium (Li) la composant afin de produire le tritium nécessaire à la première réaction. Cette réaction n’est pas à proprement parler une réaction de fusion mais elle permet de régénérer le tritium :
L’énergie cinétique du tritium et celle de l'hélium contribuent, en plus de celle des neutrons, à produire la chaleur qui sera ensuite convertie en électricité.
Pour que la première réaction puisse avoir lieu, il est nécessaire que l’énergie cinétique atteigne une valeur au moins égale à celle qui existe dans le Soleil (»10 keV) ce qui correspond à une température de l’ordre de 100 millions de °K. Sans ces conditions, les noyaux de deutérium et de tritium (chargés positivement) ne pourraient se rapprocher à une distance inférieure à 10 fm (=10-14 m) nécessaire pour fusionner. |
L’ignition correspond à l’auto-entretien de la réaction de fusion, c’est à dire que l’énergie cinétique des noyaux d’hélium suffit à maintenir la température du plasma. Ce maintien de la température nécessite aussi la présence d’un système de confinement du plasma. La configuration « tokamak » est aujourd’hui l’approche la plus avancée pour conduire à un concept de réacteur produisant de l’électricité. |
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 | | L'intérieur du tore |
La création et le chauffage du plasma |
Discussions autour du schéma du tokamak |
Les molécules de deutérium et de tritium sont injectées dans l’enceinte du réacteur, qui est en forme de tore, sous une pression de 300 Pa, ce qui correspond à une densité très faible du combustible. Ils sont ionisés et mis en mouvement grâce au champ électrique créé par induction par la bobine centrale (sur le schéma, « solénoïde central ») et se percutent alors, permettant d’atteindre des températures de 20 à 30 millions de °K. Les électrons sont dès le début du processus arrachés aux atomes de deutérium et de tritium, et le champ électrique régnant à l’intérieur du tore fait circuler les électrons et les ions en sens inverses, créant ainsi un très fort courant électrique dans le plasma (des millions d'Ampères). Toutes ces particules chargées ne cessent d’entrer en collision, augmentant encore la température du combustible qui est alors à l’état de plasma. Cette température n’étant pas suffisante pour vaincre la barrière coulombienne, des techniques de chauffage additionnel sont nécessaires :
- on injecte des atomes neutres rapides ayant une énergie cinétique de 500 keV à 1 MeV qu’ils cèdent au plasma.
- on envoie des micro-ondes à très haute fréquence.
Ces méthodes de chauffage permettent d’atteindre des températures de plus de 100 millions de °K nécessaires à la réaction de fusion. |
Le plasma doit, de plus, être confiné au centre du tore pour qu’il ne soit pas au contact des parois et pour éviter ainsi qu’il les détériore ou ne se refroidisse lui-même.
On utilise donc des bobines avec des électro-aimants pour créer des champs magnétiques permettant de dévier les particules chargées et de leur faire suivre une trajectoire précise. De nombreuses configurations ont été étudiées depuis les années 1950 et c’est actuellement celle du « tokamak » qui a été retenue.
Des matériaux "supra-conducteurs" |
La plupart des tokamaks en service sont construits avec des bobines en cuivre, qui ne peuvent pas supporter de fonctionner plus de quelques secondes en raison de l’échauffement très fort et très rapide produit par effet Joule lors du passage des énormes courants électriques nécessaires pour le confinement du plasma. Tore-Supra, construit par le CEA dans le cadre du programme européen de fusion, est équipé de bobines en niobium-titane plongées dans de l’hélium liquide à 1,8 °K, qui sont alors supra-conductrices : par conséquent, elles n’opposent aucune résistance au passage du courant. Ce courant de très haute intensité, et donc le confinement du plasma, peuvent donc être maintenus sans inconvénient pendant des durées très longues. C’est ainsi qu’en avril 2003, avec Tore-Supra, le confinement du plasma a pu être maintenu pendant 6 minutes et 30 secondes. Récupération de l'énergie |
Cerveaux en fusion avec l'exposé ! |
La température de 100 millions de °K qui règne au cœur du plasma n’est pas directement à l’origine de la chaleur qui sera transformée en électricité. Elle ne sert qu’à créer les conditions requises pour la fusion. Ce sont les neutrons produits qui, n’étant pas chargés électriquement, s’échappent du plasma dans toutes les directions, et emportent chacun 14 MeV d’énergie cinétique (soit 80% de l’énergie de fusion). Ils perdent cette énergie par collisions nucléaires avec les noyaux des matériaux de la paroi, en échauffant celle-ci. La température de la paroi est maintenue à quelques centaines de degrés C, comme dans toute centrale électrique, par un système d’échangeurs thermiques : la chaleur produite est recueillie grâce à un circuit d’eau, eau qui se vaporise ensuite et entraîne une turbine permettant de produire de l’électricité. |
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| Liste à puces | - pas de réaction en chaîne qui pourrait s’emballer. De plus, il y a très peu de combustible en jeu (seulement quelques milligrammes)
- pas de problème de déchets radioactifs à vie longue. Seules les structures du réacteur proches du plasma sont irradiées par les neutrons qu’elles ont absorbés. Cette radioactivité décroît cependant rapidement et disparaît en quelques dizaines d’années.
- le tritium est un isotope radioactif de l’hydrogène qui présente cependant des risques limités. Sa radiotoxicité est faible et sa durée de vie est de 12,4 ans (au bout de 124 ans, il n’en reste plus que moins d'un dix millième – 1/17000).
- pas d’émission directe de gaz à effet de serre
- les ressources en combustible sont abondantes. En effet, le deutérium peut être obtenu à partir d’eau de mer (33 g/tonne) et le tritium peut être produit grâce au lithium, métal dont les ressources sont très importantes.
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Les obstacles au développement |
| Liste à puces | - la complexité du réacteur due au maintien du combustible à l’état de plasma qui nécessite une machinerie lourde et spécifique.
- l’effet de seuil : le volume du plasma doit être assez grand pour que celui-ci entre en ignition. Réaliser un réacteur de taille suffisante entraîne donc un coût considérable.
- Les perspectives de rentabilité sont encore à très long terme : tant que le prix du pétrole restera à son niveau actuel, les gouvernements seront réticents à engager les investissement importants nécessaires.
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En latin, Iter signifie « le chemin, la voie », en anglais, il est l’abréviation de « International Thermonuclear Experimental Reactor ». Il s’agit d’un projet mondial, à l’origine entre les Etats-Unis, la Russie, le Japon et l’Europe. Il pourrait contenir 850 m3 de plasma et délivrerait une puissance de fusion de 400 MW avec un facteur 10 de gain d’énergie et ceci pendant des durées de plus de 10 minutes. Techniquement, la machine est prête à être construite mais la décision politique de la localisation est encore en suspend : plusieurs sites sont proposés, parmi lesquels celui de Cadarache en Provence et celui de Rokkasho-Mura au Japon.
Le tritium nécessaire à la fusion est actuellement obtenu dans les réacteurs de fission mais Iter devra tester les différents concepts de couverture du tore, et en particulier celle permettant l’auto-suffisance en tritium des futurs réacteurs grâce à l’obtention de tritium à partir de lithium.
Grâce aux informations que le projet Iter pourra apporter, un réacteur de démonstration prototype fournissant une puissance thermique de 2000 MW et une production nette d’électricité pourrait être conçu, puis construit. Dans tous les cas on ne peut sans doute pas imaginer que la fusion prenne une part significative dans la production d'énergie avant la fin du siècle. |
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