Mercredi 27 juillet 2011 à 8:20

Energie, nucléaire, économies

Tous mes lectrices et lecteurs ne connaissent peut être pas parfaitement les principes de la fusion nucléaire. Je vais donc les rappeler d’abord brièvement avant de parler des études précédant ITER : celle des  réacteurs russes “Tokamak”.

        La fusion nucléaire.

    Lorsque en se scindant ou en s’assemblant, les noyaux des atomes peuvent donner lieu à une diminution de la masse des composants, la réaction peut se produire et dégage de l’énergie selon la formule d’Einstein  E = mc2.
    Cette énergie est communiquée à des particules ou aux noyaux formés sous forme d’énergie cinétique, et ensuite, se transforme en chaleur au cours de leur ralentissement.
    La réaction peut être spontanée parce que le noyau est instable : c’est la radioactivité.
    Avec des noyaux très lourds comme l’uranium, le plutonium, le thorium, on peut, en les bombadant avec des neutrons, provoquer leur fission en deux atomes plus légers.
    Des noyaux très légers tels que l’hydrogène, le deutérium, le tritium peuvent  fusionner en créant un atome plus lourd, en éjectant un neutron et de l’énergie, mais la réaction ne peut se produire qu’à une température énorme de l’ordre d’une centaine de millions de degrés.

    Ces réactions sont à l’origine du fonctionnement du soleil et des étoiles et sur terre de celui d’une bombe thermonucléaire.
    Les réactions dans les étoiles fusionnent entre eux des noyaux d’hydrogène (c’est à dire des protons) et événtuellement des protons avec des noyaux de carbone ou d’azote. Au cœur du Soleil 620 millions de tonnes d'hydrogène y sont transformés en 615,7 millions de tonnes d'hélium chaque seconde; la pression est égale à 200 milliards de fois la pression atmosphérique terrestre et la température centrale atteint environ 15 millions de degrés, mais l’énorme énergie est produite de façon beaucoup plus lente que dans une bombe à fusion thermonucléaire.
    http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/250pxDtfusion.pngDans cette dernière la température énorme est obtenue en faisant exploser une “amorce” qui est une bombe nucléaire à fission.
    Pour domestiquer l’énergie de fusion, le problème est de créer cette température et de contenir le plasma obtenu, qui, sous l’effet de la température, a tendance à chauffer tout autour de lui et à provoquer une violente expansion.
    La réaction utilisée est 
        2D1  +  3T1    -->  4He2  +  1n0
 et comme le tritium est un gaz très cher à fabriquer, on envisage de le produire par la suite en utilisant les neutrons produits au sein du réacteur, à partir du lithium, abondant sur terre, par la  réaction       
        6Li3  + 1n0  -->  4He2  +  3H1


        Comment domestiquer la fusion : les “tokamak”

Pour produire une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer la matière à de très hautes températures (plusieurs centaines de millions de degrés). Dans ces conditions, les électrons se détachent complètement de leur noyau — on dit que l'atome s'ionise. La matière entre alors dans un nouvel état : l'état de plasma.
   

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/tokamak2.jpg
 
De nombreuses études ont été faites dans ce domaine, et les russes ont conçu en 1960 une machine appelé “Tokamak”
    Dans les années 70 des machines analogues ont été construites aux Etats-Unis et en France au centre CEA de Fontenay aux roses et à Grenoble.
    De nombreuses autres machines ont été construites par la suite, notamment “Joint European Torus,” en Angleterre et “Tore supra” à Cadarache.

     Ci-contre la chambre à vide d'un Tokamak.
 

        Principe d’un “tokamak”

    Un tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à confiner et contrôler un plasma (deutérium + tritium), pour étudier la possibilité de la production d'énergie par fusion nucléaire.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/tokamak.jpg    Comme le plasma est constitué de particules chargées, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur d'un tore au moyen de champs magnétiques. C’est en quelque sorte une “boite aux parois immatérielle”.
    D’énormes bobines (en orange sur le schéma), créent un champ toroïdal  qui confine le plasma à l’écart des parois et fait circuler à l’intérieur un très fort courant qui le réchauffe fortement et qui crée à nouveau un champ qui contribue aussi au confinement du plasma, qui est très chaud en son centre  et va en se refroidissant vers l'extérieur.   
    D’autres bobines horizontales circulaires permettent de mieux contrôler la forme du plasma (en vert sur le schéma).


http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/ITERchambre.jpg    Ce courant n’est pas suffisant pour chauffer suffisamment le plasma et on complète ce chauffage pa des ondes hautes fréquences (comme dans un four à micro-ondes) et par l’injection de particules qui par chocs  augmentent la température.
    Lorsque la température suffisante est atteinte, la réaction de fusion se produit et l’énergie dégagée suffit à entretenir la température.
    Dans l’air un tel plasma ne pourrait se former et donc on doit le créer dans une enceinte à vide torique, au sein de laquelle règne un vide extrêmement poussé.
    Il faut évacuer les produits parasites créés (l’hélium, gaz inerte et non radioactif) et d’autre part évacuer  aussi la chaleur si on veut l’utiliser ensuite pour produire de l’électricité, grâce à un fluide caloporteur entre le plasma et les parois de la chambre à vide.


http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/bobinesITER.jpg
    Un autre problème de ces réacteurs est de générer un champ magnétique suffisamment puissant c’est à dire de faire circuler un courant très important dans les bobines. Pour cela les bobine sont réalisées en matériaux supraconducteurs, dont la résistance est pratiquement nulle à une température proche du zéro absolu (- 273 d° K) de telle sorte que des courants très intenses peuvent circuler sans perte par effet joule.
    Le problème est évidemment de conserver une température aussi basse autour d’un réacteur qui est extrêmement chaud.
    Les petits tokamak déjà réalisés ont permis de démontrer la faisabilité scientifique de ce processus en dégageant quelques mégawatts d’énergie pendant plusieurs minutes. Mais par contre l’énergie fournie était presque aussi important que l’énergie produite.
   

ITER est destiné à démontrer que la production rentable est possible et de résoudre de nombreux problèmes techniques et notamment la résistance des parois et l’isolation thermique pendant des périodes longues.
    Il est important de noter que si dans de tels réacteurs plusieurs dizaines de kg de deutérium et de tritium seront consommés par an,  par contre la quantité de combustible présente dans la chambre pour la réaction est très faible, quelques grammes et correspond à une dizaine de secondes de fonctionnement.
    La moindre perturbation au sein du réacteur entraîne un refroidissemnt et l’arrêt de la réaction, sans possibilité d’emballement.

    ITER sera le plus gros Tokamak réalisé jusqu’à présent, en attendant un réacteur industriel. son plasma aura 6,20 m de rayon et 6,80 mètres de haut et la durée de maintien sera de l’ordre d’une quinzaine de minutes.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences/coupeITER.jpg

   
   
   


   
Par Bernardeau le Mardi 3 mai 2016 à 0:20
Un grand merci pour ton ecrit, j’ai incroyablement appris.
Par Nicolas Lafontaine le Mardi 27 mars 2018 à 18:13
Vous faîtes du boulot incroyable , c’est pour ça que je suis fan de ce blog
 

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