Fusion nucleaire &- tokamak

1.0 Le principe de base

1.1 Fusionner des noyaux simples pour en faire des noyaux lourds.1.2 Comment fusionner des noyaux ? L’aspect physique du phénomène.1.3 Le plasma: le quatrième état de la matière.1.4 Les deux procédés étudiés pour la fusion.

2.0 Le confinement magnétique

2.1 Idées de confinement: les conditions.2.2 Une trajectoire de champ circulaire: la dérive des particules2.3 Le courant du plasma2.4 La stabilisation du plasma2.5 Une animation de disruption

3.0 Le chauffage du plasma

3.1 Les trois méthodes de chauffage3.2 Le chauffage par ondes électromagnétiques3.3 Génération de courant par onde

4.0 Le bilan énergétique

4.1 Le bilan énergétique du plasma

1.1 Fusionner des noyaux simples pour en faire des noyaux lourds

En fusionnant deux noyaux, nous obtenons un nouveau noyau, plus lourd. Mais sa masse n’est pas équivalente à la somme des masses des deux noyaux d’origine. Un peu de masse s’est transformée en énergie lors de la réaction de fusion selon la célèbre équation d’Einstein: E = m · c2

De l’énergie est dégagée par la fusion. Les travaux de recherches portent actuellement sur la fusion du Deutérium et du Tritium.

Equation: D + T n + particule alpha + 17.6 MeV (précisions sur ce chiffre après)

Schéma:

Afin d’initier une fusion nucléaire, il faut rapprocher assez les deux noyaux qu’on veut fusionner. Or, ces noyaux étant formés de protons et de neutrons, sont chargés positivement. Leur intéraction électrostatique commune les repousse.

Cependant, très près du noyau agissent des forces d’attraction nucléaires plus importantes que les forces de répulsion électrostatique.

Tout le problème est d’apporter assez d’énergie cinétique aux antagonistes pour les rapprocher suffisament afin qu’une réaction de fusion nucléaire ait lieu et restitue de l’énergie.

1.2 L’aspect physique du phénomène

De l’énergie cinétique est synonyme de température. En effet, la vitesse des particules est proportionnelle à leur agitation thermique. Il faut donc augmenter la température des particules afin de leur apporter plus de vitesse et leur permettre ainsi de s’approcher les unes des autres.

Si nous n’avons parlé jusqu’ici de noyaux et non d’atomes, c’est que les électrons ne sont plus attachés à leur noyau. Au point précédent, il a été question d’agitation thermique des particules. Afin que des réactions de fusion aient lieu, il faut amener les particules à plus d’une centaine de millions de degrés (108 K).

Le terme de ionisation entre en jeu. A partir d’une certaine température, les électrons se libèrent de leur orbite atomique et sont libres de voyager seuls. Ainsi on dit que l’atome se ionise (un ion se dit de tout atome ayant perdu un ou plusieurs électrons). Nous assistons à un mélange de noyaux et d’électrons extrèmement chaud. C’est le quatrième état de la matière qu’on appelle l’état de plasma.

1.3 Le plasma: le quatrième état de la matière

Le rayonnement solaire provient d’une réaction de fusion à l’intérieur même du Soleil. Ainsi le Soleil est une sphère de plasma où de la fusion nucléaire s’enchaîne pour former des éléments toujours plus lourds. La fusion est la source d’énergie du Soleil.

Ce sont les forces gravitationnelles du Soleil qui confinent sa matière en son centre, très densément ce qui augmente sa température et crée un plasma.

Un gaz, à une certaine température, à tendance à occuper le plus grand volume possible. Or s’il fait ainsi, sa température diminue. Il en est de même pour le plasma. Mais dans le Soleil, l’attraction est si forte que le plasma reste confiné et la fusion continue.

Le défi: créer un plasma sur Terre. Cela vous paraît-il possible?

La Terre n’est de loin pas assez massive pour créer un confinement gravitationnel. Deux autres options sont en vogue.

Une option est la fusion inertielle ou fusion par faisceaux. Elle consiste à porter un petit volume de matière à très haute température et à très haute pression pendant un temps assez court. On crée ainsi un plasma temporaire et il faut qu’un maximum de réaction de fusion aient lieu dès que le plasma se forme.

Les inconvénients: Le temps de confinement est très court, de l’ordre de 10 -11 s Il y a peu de matière à confiner et le rendement du procédé est encore faible.

1.4 Les deux procédés étudiés pour la fusion

La seconde option est celle que nous étudierons: la fusion par confinement magnétique. Le principe est encore une fois simple: conserver continuellement, à l’aide de champs magnétiques intenses, un plasma suffisament chaud et dense pour que la fusion nucléaire ait lieu en son sein même. Il est important de rappeler qu’un plasma est essentiellement constitué de particules chargées sensibles au magnétisme. Il faut que le plasma soit très dense pour qu’un maximum de réactions ait lieu. D’où le terme de confinement.

Les avantages: Le temps de confinement peut être infini… (les explications plus tard).

Soit un plasma (nous nous occuperons plus tard des acteurs chauffant à qui il doit son existence). Ses particules s’agitent et se déplacent dans tous les sens tentant de s’éloigner le plus les unes des autres. Plaçons notre plasma dans un solénoïde ou dans un champ linéaire et faisons passer un courant dans la bobine. Immédiatement, le courant crée un champ magnétique rectiligne et les particules chargées vont s’enrouler autour des lignes de champs en hélice sans atteindre les parois du solénoïde. Ainsi nous avons un moyen de confiner le plasma au centre de la bobine.

2.1 Idées de confinement magnétique: conditions.

Le rayon de Larmor dépend de l’énergie cinétique de la particule et de l’intensité du champ. Ainsi, si nous voulons confiner davantage notre plasma, il faut augmenter l’intensité du champ magnétique.

Animation du mouvement d’une particule autour d’une ligne de champ rectiligne:

Mais ça n’est pas tout, une bobine a deux extrémités où les lignes de champs se dispersent. Nous nous opposons alors à des pertes des confinement. La solution réside dans le repliement de la bobine pour en faire une bobine toroïdale où les lignes de champs décriraient des cercles et le plasma tournerait en continu. C’est le champ magnétique toroïdal.Nous avons ainsi une technique concrète pour confiner le plasma toroïdalement et continuellement au milieu d’une paroi toroïdale (toutefois sans que le plasma ne la touche)

2.1 Idées de confinement magnétique: suite

Animation du mouvement d’une particule autour d’une ligne de champ circulaire:

Jusqu’ici, nous avons piégé nos particules en les obligeant à décrire une hélice toroïdale. Cependant, le problème n’est pas entièrement résolu. Créé par des bobines plates, le champ magnétique n’est pas parfaitement uniforme. Les particules subissent alors sous l’effet de forces de Lorentz inconstantes une dérive vers le haut ou le bas suivant leur charge. Et ceci est synonyme de perte de confinement.

Le champ magnétique toroïdal seul ne sufftit pas. Il faut concentrer nos idées sur la conception d’un champ complémentaire pour parer à cet effet de dérive. Le champ complémentaire sera forcément perpendiculaire au précédent. On l’appel le champ poloïdal. Couplé au champ toroïdal, ils créent le champ hélicoïdal qu’on trouve désormais dans le tokamak. En effet, les lignes de champ deviennent des hélices. c.f schéma ci-contre.

2.2 Une trajectoire de champ circulaire: la dérive des particules

Dès lors, imaginons le champ hélicoïdal et plaçons une particule dessus, elle décrit une hélice autour du champ qui est lui meme une hélice.

Cependant, nous n’avons pas parlé de la cause du second champ poloïdal. Des bobines toroïdales créent le champ toroïdal.

Des bobines poloïdales créeraient-elles un champ poloïdal? Non…

Le plasma se constitue de particules diverses: protons, neutrons, électrons, divers noyaux etc… Or toutes les particules ne vont pas dans la même direction. Admettons que nous leur ayons imposé un sens. Une section du tore qu’est le plasma verrait alors un débit d’électrons. En d’autre terme, nous aurions un courant électrique circulaire dans le plasma. Ce courant induirait un champ magnétique poloïdal et c’est ce que nous voulons.

Mais comment générer un courant dans le plasma? Par induction. Soit un transformateur dont le primaire est un bobinage à courant alternatif et le secondaire est le plasma lui-même. Le noyau en fer du transformateur passe au milieu du tore. L’ordre de grandeur du courant passant dans le plasma est le Méga Ampère, 106 A.

Schéma du transformateur:

2.3 Le courant du plasma

Le plasma du tokamak n’a pas exactement une forme torique. Afin de lui donner la forme que nous voulons et de maintenir ainsi sa stabilité, nous avons recours à des bobines poloïdales placées horizontalement autour du tore. La stabilité du plasma est très importante pour éviter les pertes de confinement.

Une petite perturbation non maîtrisée à temps peut s’accroître et mener à une disruption, c’est à dire une perte totale du confinenement du plasma. Il suffit d’une variation partielle du courant induit dans le plasma pour déclencher une disruption. Une disruption a des conséquences sur les parties métalliques entourant le tokamak. Il faut alors s’efforcer d’utiliser des matériaux non-magnétiques et électriquement isolés. Une disruption implique également la décharge du plasma. Il faut toujours isoler les parties du tokamak avant son utilisation.

2.4 La stabilisation du plasma

La partie centrale orange est le centre du plasma confiné et à haute température. L’enveloppe bleue est la périphérie du plasma.

Animation d’une disruption:

2.5 Une animation de disruption

Afin de créer un plasma, nous avons vu qu’il faut des températures de l’ordre de centaines de millions de degrés K.

3.1 Les trois méthodes de chauffage

Le chauffage ohmique. L’effet joule désigne le dégagement de chaleur de tout courant passant dans un conducteur. Or un courant circule dans le plasma et pour les mêmes raisons que la température d’un filament d’ampoule augmente, le plasma gagne en température sous l’effet joule des Méga Ampères qui le traverse. Par analogie avec un fil conducteur, plus la température augmente, plus la résistance augmente et dès lors, la température limite que le plasma peut atteindre grâce à son chauffage ohmique n’est que d’une dizaine de millions de degrés (dix fois moins que la température requise).

Il faut donc d’autres méthodes de chauffage pour amener le plasma aux températures de fusion. La deuxième méthode est l’injection de particules neutres.

Le principe est créer et d’accélérer un faisceau d’ions à travers un intense champ électrique en leur apporter une grande énergie cinétique. Ce faisceau d’ions à grande vitesse (IGV) est ensuite neutralisé avant d’être envoyé dans le plasma. La neutralisation est une étape obligatoire car le champ magnétique qui confine le plasma l’empêche de s’échapper mais il empêche également aux autres particules chargées de s’en approcher. Neutres mais très énergétiques, les particules pénètrent sans peine dans le plasma. Les particules neutres entrent dans le plasma et leur multiples collisions avec les autres particules leur cèdent leur énergie cinétique, augmentant ainsi sa température.L’ordre de grandeur de l’énergie cinétique apportée à des ions positifs de Deutérium est de 100 keV. Au delà, leur neutralisation s’avère compliquée et il faut passer à des ions négatifs de Deutérium. Avec ces derniers, on peut les neutraliser sans peine même s’ils ont 1 MeV. Mais leur production est plus délicate. Toutes les recherches se portent actuellement sur leur fabrication.

La troisième méthode de chauffage est le chauffage par ondes électromagnétiques.

3.2 Le chauffage par ondes électromagnétiques

Cette méthode est un peu plus complexe et demande plus d’explications.Lorsque nous plaçons un plat dans le micro-ondes, les ondes vont agiter les molécules d’eau lesquelles vont agiter leurs voisines et en somme, nous avons un plat avec une température plus élevée qu’au départ (heureusement…).

Dans toutes les matières et dans ses états (solide, liquide, gaz, plasma) des ondes se propagent dans toutes les directions. Avec le champ magnétique, il importe de diriger correctement l’onde pour qu’elle perde en amplitude et cède son énergie au plasma (il serait mal venu que l’onde gagne en amplitude et prive le plasma de son énergie).

Il existe deux principes d’absorption de l’énergie de l’onde. L’absorption cyclotronique et l’absorption de type Landau. Dans les cas l’intération entre l’onde et la particule est résonnnte: elles vibrent à même fréquence.

L’absorption cyclotronique consiste à créer une onde dont la fréquence est la fréquence de rotation des particules autour des lignes de champ (tours/s). Les différentes particules, électrons ou ions n’ayant pas la même fréquence de rotation, nous pouvons ainsi accélérer un type particulier de particules.

Avec l’absorption de type Landau, il faut créer une onde dont la vitesse de propagation correspond à celle des particules.

Un des majeurs problèmes des tokamaks est le chauffage des bobines toroïdales en cuivre (assurant le champ toroïdal) et du bobinage primaire du transformateur (induisant le courant du plasma qui induit lui-même le champ poloïdal). Dès qu’ils chauffent trop, il faut stopper leurs courants. Mais dès qu’on stoppe le courant, les champs magnétiques cessent d’exister et il y a une disruption.

Les nouvelles technologies privilégient des bobines toroïdales supraconductrices. Ainsi le problème du chauffage ne se pose plus pour le champ toroïdal. Cependant, il reste le bobinage primaire qui induit le courant du plasma. Au lieu de créer d’autres aimants supraconducteurs qui coûtent chers, nous avons la possibilité de diriger toroïdalement les ondes que nous envoyons dans le plasma pour qu’elles aient un effet impulsif sur les particules. La résultante du déplacement global des particules est toroïdale et nous avons un courant.

Une autre option serait de diriger de la même manière le faisceau d’ions pour que les collisions aient également un effet d’impulsion toroïdale sur les particules.

3.3 Génération de courant par onde

Un plasma peut gagner de l’énergie, il peut surtout en perdre, mais il peut également être stationnaire. Dans ce dernier cas, ses sources doivent être égales à ses pertes.

Les sources

La partie la plus intéressante du plasma est l’énergie que dégage la réaction d’une fusion de Deutérium et de Tritium. Les 17.6 MeV dégagés se répartissent selon les « survivants » de la réaction. Ces survivants sont un neutron et un noyau d’Hélium, la particule alpha. Les neutrons s’emparent de 80% de l’énergie, 14 MeV, alors que les particules alpha n’en gardent que le 20%, 3.6 MeV.

Malheureusement, les neutrons sont insensibles au champ magnétique et ne restent pas confinés dans le plasma: ils s’écrasent dans les parois du tokamak avec leur 14 MeV.Les particules alpha, sensibles, restent confinées dans le plasma et lui cèdent leur énergie. Elles constituent la source interne d’énergie du plasma.

Les trois méthodes de chauffage constituent la seconde source d’énergie du plasma.

Les pertes

Le rayonnement est la perte majeure d’énergie du plasma et il est un danger pour son confinement.

4.1 Le bilan énergétique du plasma

Le bilan s’écrit comme suit: W = Puissance alpha + Puissance chauffage – Pertes

Si le bilan est nul, les sources sont égales aux pertes et notre plasma ne nous fournit pas d’énergie que nous puissions utiliser.

Appelons Q le facteur d’amplification Puissance alpha / Puissance chauffage .

S’il est inférieur à 1, la puissance des réactions de fusion est inférieure à la puissance apportée par les chauffages (présent)Si ce facteur vaut 1, la puissance des réactions de fusion est égale à la puissance apportée par les chauffages (break even)S’il est supérieure à 1, la puissance des réactions de fusion est supérieure à la puissance apportée par les chauffages (avenir)

Le break even est le but actuel des recherches. Q = 1. En d’autres termes, le chauffage du plasma est assuré par ses particules alpha.

Dans un avenir relativement proche, nous atteindrons l’état d’ignition (allumage). La puissance des réactions de fusions compensera seule les pertes. La puissance extérieure n’est plus utile et avons un facteur Q infini. Le plasma est dit « auto-entretenu » et nous aurons notre réacteur de fusion nucléaire.

4.1 Le bilan énergétique du plasma

5.1 Des questions?