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Mise à jour 26 Juin 2017

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CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «LA FUSION NUCLÉAIRE TIENDRA-T-ELLE SES PROMESSES ?  QU’APPORTERONT ITER ET LE LASER MÉGA JOULE ?»

Par Jean-Marc ANÉ

CEA Chargé de mission "Études réacteurs fusion"

Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique

À l’AgroParisTech 16 rue C Bernard Paris 5.

Le Mercredi 14 Juin 2017 à 19H00  Amphi Tisserand

 

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et se nomme :

SAF-ITER-JM-ANE-2017.pptx, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2016-2017. . 

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

 

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   disponible dans quelques jours

 

 

 

Jean Marc Ané est physicien au département de recherche sur la fusion magnétique (IRFM) du CEA Cadarache.

Il est intégré à l’équipe dirigeante du projet ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor, en français : « réacteur thermonucléaire expérimental international.

 

Comme il le dit lui-même, il travaille depuis 34 ans sur la fusion !

 

On pourrait sous-titrer cette conférence : Demain, l’énergie des étoiles sur Terre ?

 

C’est Jean Perrin qui le premier parle de fusion nucléaire en 1919 et c’est Ronald Richter qui relance l’idée dans les années 1940 en Argentine, mais suite à des erreurs, le projet est arrêté.

 

 

 

 

 

 

 

 

NDLR :

Ne pas confondre fission et fusion, la fission consiste à casser des atomes et à recueillir de l’énergie, la fusion consiste à faire fusionner des atomes et aussi…à recueillir de l’énergie. Cela semble paradoxal, mais cela ne l’est pas ; en effet si l’on regarde la courbe d’énergie de liaison des différents éléments, on voit que l’on passe par un maximum au niveau du Fer.

Ce qui se trouve à gauche correspond à la fusion (en effet deux éléments légers vont aboutir à un élément plus lourd et plus énergétique) et ce qui se trouve à droite à la fission (en effet casser un élément lourd va donner des éléments plus légers et plus énergétiques).  Dans les deux cas on gagne de l’énergie !

 

De plus il existe différentes sortes de fusion :

·         La fusion par confinement magnétique, comme ITER

·         La fusion par confinement inertiel comme le Laser Méga Joule

·         La fusion froide qui ne fait pas partie de l’exposé d’aujourd’hui.

 

 

 

Contrairement aux réacteurs nucléaires actuels qui fonctionnent sur le principe de la fission nucléaire (on brise les noyaux en deux parties et cela fournit de l’énergie) qui produit des déchets radioactifs de très longues périodes, le projet ITER se consacre à l’opération inverse, la fusion de noyaux, qui elle aussi produit de l’énergie et beaucoup moins de déchets hautement radioactifs.

 

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3b/Deuterium-tritium_fusion.svg/248px-Deuterium-tritium_fusion.svg.pngLa réaction la plus rentable est celle entre deux isotopes de l’Hydrogène : le Deutérium (D un proton et un neutron) et le Tritium (T un proton et deux neutrons).

Il faut vaincre les répulsions électriques et pour cela atteindre des températures de l’ordre de 200 millions de degrés !

 

Cette fusion D-T, produit un noyau d’Hélium (He 2 protons et 2 neutrons) et de l’énergie. En effet dans cette réaction, le résultat (He) est moins massif que ses constituants, un peu de masse a disparu, c’est elle qui apparait sous forme d’une énergie libérée dans la réaction. (E=mc2).

Un neutron est aussi émis pour équilibrer la réaction, et c’est lui qui emporte 80% de l’énergie produite.

 

 

 

Cette réaction nécessite une température de fusion énorme, 10 fois plus que celle nécessaire pour le Soleil

C’est une réaction presque analogue (en fait dans le Soleil c’est la fusion H-H directe) qui est produite au sein du Soleil (et des étoiles en général), c’est la source de l’énergie que nous recevons sur Terre.

 

Les courbes représentent la réactivité des différentes réactions de fusion possibles (différents rendements).

 

On voit que la fusion D-T est de près de 100 à 1000 fois plus réactive que D-He3 ou d’autres.

 

En d’autres mots un réacteur basé sur la fusion D-T donnerait 100 à 1000 fois plus d’énergie qu’avec d’autres composants.

 

C’est pour cela que l’on s’est orienté vers ce type de fusion.

 

 

 

 

 

LA FUSION MAGNÉTIQUE.

 

C’est ce qui se passe dans le Soleil. Il y a piégeage du plasma.

 

On va faire la même chose, en créant un anneau de plasma confiné par un champ magnétique.

 

Le cœur de cet anneau, c’est un Tokamak (le nom vient du russe et signifie chambre magnétique toroïdale, signalons qu’Andreï Sakharov y a participé). C’est donc une chambre à vide torique dans laquelle circule des plasmas.

Elle sert à générer la fusion nucléaire, la chaleur (200 millions °C) produite par la fusion étant recueillie pour fournir de l’électricité. Pour démarrer la machine, il faut aussi fournir de l’énergie, l’idée d’ITER est que la puissance dégagée soit supérieure à la puissance fournie.

 

 

Ce serait donc une énergie « gratuite » si l’on veut, mais on en est encore loin !!!

 

 

À l’intérieur la pression magnétique est de l’ordre de 100 atm mais la pression du plasma est de l’ordre de la pression atmosphérique.

Le Tokamak d’ITER mesure 29m de haut et 28m de diamètre et sa masse avoisine les 23.000 tonnes. Ce devrait être le plus grand tokamak du monde.

Ce réacteur nécessite plusieurs millions d’Ampères.

 

Le volume d’ITER est de 1000m3, et il contient 1g de plasma seulement !

 

Puissance 500MW.

 

 

 

 

 

 

Il existe de nombreux modèles de réacteurs, passés et futurs comme on le voit ici.

 

 

Il semble que l’évolution des performances soit relativement lente.

 

L’étape suivant ITER serait le réacteur de 5000MW appelé pour le moment DEMO  (DEMOnstration Power Station).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le chantier d’ITER.

 

ITER c’est un réacteur de recherche civil permettant d’étudier la mise au point de la fusion nucléaire.

C’est un démonstrateur technologique devant prouver la faisabilité technique de cette nouvelle forme d’énergie.

Il devrait être suivi d’autres étapes.

La collaboration ITER est internationale : ses membres sont l'Union européenne, l'Inde, la Russie, la Chine, la Corée du Sud, le Japon, les États-Unis et la Suisse. Elle a été crée en 2007 et son siège est à Cadarache dans le sud de la France.

 

La construction est en cours et devrait être achevée vers 2019. Le budget actuel (il a souvent été dépassé !) est de 19 milliards d’euros. Le siège a été aussi l’enjeu d’un long débat politique.

La puissance prévue pour ITER est de 500MW, en principe supérieure à celle nécessaire à l’entretien de la réaction (120MW), c’est là tout l’enjeu de l’aventure.

 

 

Photo : L’état du chantier en Avril 2017 (©ITER)

 

Toutes les photos actuelles du chantier.

 

 

Le site Iter mesure 400m de large et 1km de long. Il va contenir 39 bâtiments. Le bâtiment principal où se trouvera le tokamak mesurera 60 mètres de haut avec des fondations de 17 mètres de profondeur où se trouveront les plots parasismiques qui protégeront le tokamak des secousses ainsi que les bâtiments auxiliaires.

 

On espère pouvoir à terme maintenir la réaction de fusion pendant plusieurs dizaines de minutes, le record pour le moment étant de 6minutes pour le Tore Supra français du CEA

 

 

 

 

LA FUSION INERTIELLE.

 

La fusion magnétique nécessite le confinement parfait d’un plasma de 200 millions de degrés sans contacter les parois, sous peine de disparaitre. Si on y arrive c’est la voie royale.

 

Par contre il existe une autre possibilité de fusionner des atomes (D-T) en les confinant dans des petites billes sur lesquelles des Laser vont tirer des faisceaux très intenses. Là aussi un plasma va se former. C’est la voie inertielle.

 

C’est ce à quoi s’emploient notamment le Laser Méga Joule (LMJ) de Bordeaux et le Laser du National Ignition Facility (NIF) à Livermore aux USA.

 

 

 

Des Lasers vont donc faire imploser des cibles parfaitement sphériques contenant le mélange D-T, celui-ci est extrêmement froid (-250°C) afin d’avoir un meilleur rendement.

 

La cible est dans le vide et est visée par des lasers intenses et de très courte durée.

L’intérieur devient un plasma très chaud et fait imploser l’ensemble, les réactions de fusion nucléaire peuvent démarrer.

 

 

 

 

 

 

 

 

Exemple de support de cible.

 

On voit ici la microcapsule :

 

 

 

 

Schéma du LMJ (doc CEA)

 

Plus d’une centaine de faisceaux Laser convergent vers la minuscule cible ; ce qui va résulter pendant une nanoseconde une température de quelques centaines de millions de degrés et permettra ainsi la fusion de D et T. l’énergie résultante sera ensuite libérée.

 

Le LMJ est aussi un outil pour tester l’arme nucléaire, alors que les essais nucléaires ne sont plus autorisés.

Extrait de la DAM :

« Il sert à étudier, à toute petite échelle, le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes similaires à celles atteintes lors du fonctionnement nucléaire des armes.

Le LMJ est dimensionné pour délivrer sur une cible de quelques millimètres, en quelques milliardièmes de seconde, une énergie lumineuse supérieure à un million de joules.

Le LMJ a été mis en service fin 2014, avec une première campagne de physique des armes. »

 

 

 

 

 

LA FUSION, UNE ÉNERGIE SURE, PROPRE ET NON PROLIFÉRANTE ?

 

Les combustibles de la fusion :

 

D            +             T   à      He       +        n

                                     D : 25 g/m3 d’eau de mer    pas de T sur Terre   

 

Le Tritium n’existant pas sur Terre, il faut le fabriquer à partir du Li6 (0,7 g/m3 d’eau de mer) :

n  +   Li    à    T    +    He

 

 

ITER est un réacteur auto régulé passif.

Le seul problème : le Tritium (période 12, ans) peut pénétrer dans l’eau qui devient radioactive.

Il y a donc nécessairement une détritiation des déchets.

 

Les neutrons peuvent rendre radioactifs les parois du réacteur, le Tritium étant aussi absorbé par les parois.

 

 

Par contre il ne peut pas se produire d’emballement nucléaire (réaction en chaîne), la quantité de plasma est si faible et le moindre incident de fonctionnement mène à l’arrêt automatique.

 

La fusion est un vrai défi pour les matériaux utilisés à cause notamment des contraintes thermiques.

 

 

Schéma d’un réacteur de fusion Le réacteur est alimenté en deutérium, injecté directement dans le plasma, et en lithium injecté dans la couverture afin d’y réagir avec les neutrons pour produire du tritium qui sera ensuite injecté dans le plasma. L’hélium, produit de la fusion du deutérium et du tritium, est extrait du plasma et récupéré.

La puissance de fusion chauffe la couverture. Un fluide circulant dans la couverture permet de récupérer la puissance de fusion pour générer de l’électricité par exemple. (JMA)

 

 

 

 

CONCLUSIONS.

 

 

La fusion nucléaire est :

·         Une ressource inépuisable (eau des océans)

·         Est-ce l’énergie du futur ?

·         Pas de réactions en chaîne

·         Peu de combustible utilisé : 1g pour magnétique, 1mg pour inertielle

·         Peu de gaz à effet de serre

·         Peu de pollution

·         Attention au déchet du Tritium même si vie courte

·         Usage militaire comme sous produit

 

 

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

Les enjeux de la fusion magnétique par Jean Marc Ané

 

La Fusion Nucléaire par planète Gaia

 

Le site d’ITER.

 

Atteindre le breakeven avec le super Tokamak d'ITER...!

 

Le projet ITER et la fusion nucléaire avantages et inconvénients

 

Maîtriser la fusion nucléaire ? Le dossier scientifique et technique, aperçus par GéoConfluences.

 

 

 

Le Laser Mégajoule et la fusion inertielle par le CNRS

 

Fusion inertielle : des progrès vers l'ignition, article de Futura Sciences

 

Fusion par confinement inertiel et LMJ

 

Le Laser Méga Joule sur le site de la DAM

 

LMJ plaquette de présentation

 

Le laser percera-t-il les secrets de la physique ? Article des Échos.

 

Le tritium : quels dangers

 

Dossier: Laser Mégajoule, des essais nucléaires en laboratoire

 

 

Quelques vidéos à consulter absolument pour (presque) tout comprendre.

 

Culture Physiques - Jean-Marc ANÉ - La Fusion Nucléaire (1-4)

https://youtu.be/dQxj1RCQC4E        1

https://youtu.be/sGGLSQZ8xzs      2

https://youtu.be/zIwvPCRxF1w       3

https://youtu.be/tq5BJgNJIhk       4

 

La fusion magnétique vidéo de 5 min par le CEA.

 

La fusion inertielle vidéo de 4 minutes par le CEA.

 

La fusion contrôlée par confinement magnétique, le CEA et ITER, conférence d’Alain Becoulet

 

 

 

 

ATTENTION : LES CONFÉRENCES MENSUELLES SAF CHANGENT DE LIEU ET DE JOUR.

En effet à partir de la rentrée 2017/2018 nous serons hébergés par :

 

TelecomParisTech   46 rue Barrault Paris 13  Amphi Thévenin (300 places) les Vendredis au lieu des Mercredis

Horaires (19H-21H) et réservation inchangés

 

Prochaine conférence mensuelle de la SAF : Vendredi 22 Septembre   19H00  

 

SOIRÉE SPÉCIALE : INAUGURATION DE LA NOUVELLE SALLE

PRÉSENTATION DU PROGRAMME DE L’ANNÉE

CONFÉRENCE DE DAVID ELBAZ SUR

« À LA RECHERCHE DE L’UNIVERS INVISIBLE »

SUIVIE DE LA DÉDICACE DE SON LIVRE QUE L’ON POURRA ACHETER EN SALLE

 

 

Entrée libre mais réservation obligatoire. (Vigipirate) À partir du 15 Août 2017  

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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