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La fusion nucléaire contrôléeet le projet ITER
Daniele Carati
Université Libre de BruxellesFaculté des Sciences
Département de Physique
Séminaire de la Filière PhysiqueFaculté des Sciences Appliquées
26 avril 2007
1
I. Principe de la fusion Dans les étoiles Sur Terre
II. Pourquoi la fusion sur Terre Besoins énergétiques Sources d’énergie Effet de serre III. Le projet ITER Un peu plus de détails sur la physique de la fusion Caractéristiques d’ITER Participation de l’ULB au programme fusion
Plan de l’exposé
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I. Principe de la fusion
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Il y a deux manières d’extraire de l’énergie par réaction nucléaire.
La première est la plus connue : la fission des atomes lourds (uranium, plutonium,...). La fission a été utilisée aussi bien à des fins militaires (bombe-A) qu’à des fins domestiques (centrales nucléaires).
La deuxième est la fusion d’atomes légers (notamment, l’hydrogène et ses isotopes : le deutérium et le tritium). Son utilisation à des fins militaires (bombe-H) est développée depuis plus de cinquante ans. Par contre, son utilisation à des fins domestiques n’est pas encore maîtrisée.
Principe de la fusion
4
La fusion nucléaire est le mécanisme à l'origine du rayonnement des étoiles. Dans les étoiles du type du soleil, les réactions nucléaires dominantes constituent la chaîne proton - proton.
Deux protons (noyaux d’hydrogène) fusionnent pour former du deutérium, c'est-à-dire un noyau formé d'un proton et d'un neutron, ainsi qu’un neutrino et un positron.
Le deutérium fusionne ensuite avec un troisième proton et engendre du rayonnement gamma et un noyau d'hélium-3, formé de deux protons et d'un neutron.
Enfin, deux noyaux d'hélium-3 produisent un noyau d'hélium-4 formé de deux protons et deux neutrons et libèrent deux protons.
La fusion dans les étoiles
5
Il est à noter que d’autres mécanismes existent dans les étoiles.
- Le cycle du carbone, pour lequel le bilan est le même que dans la chaîne proton-proton mais où la présence de carbone-12 peut servir de catalyseur à un cycle de réactions nucléaires faisant intervenir azote-13, carbone-13, azote-14 et oxygène-15.
- Lorsque les réserves d’hydrogène diminuent, l’hélium peut lui aussi fusionner et donner du bérillium-8
- ...
La fusion dans les étoiles
On estime que, dans le soleil, la chaîne proton-proton transforme près de 600 millions de tonnes d'hydrogène en 596 millions de tonnes d'hélium chaque seconde. La différence de masse est convertie en énergie.
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La fusion sur Terre
La première bombe-H fut mise au point par les Etats-Unis. Elle a explosé le premier novembre 1952, sur l’atoll de Eniwetok.
Les réactions de fusion sont amorcées par une bombe atomique (fission, bombe-A) classique.
La chaîne de réactions de fusion nucléaire dans la bombe-H est complexe et dépend des techniques utilisées.
Plusieurs pays, Etats-Unis, France, UK, Russie, Chine, ont développé cette arme. Inde?
7
Les réactions qui se passent au coeur des étoiles sont trop improbables pour pouvoir être exploitées à des fins domestiques sur Terre. On se tourne vers les isotopes de l’hydrogène et vers la réaction :
D + T He + n + énergie
La fusion sur Terre
8
Comme il est impossible d’atteindre sur Terre la densité des étoiles, il est envisagé d’augmenter la température jusque 100 millions de degrés, ce qui augmente la probabilité des réactions de fusion. A de telles températures, la matière est entièrement ionisée : les noyaux et les électrons sont séparés. On parle alors d’un plasma. Il est cependant impossible de maintenir le plasma dans un récipient à de telles températures.
On utilise alors un champ magnétique pour piéger les électrons et les noyaux dans une enceinte en forme de tore (comme un pneu). On appelle ces machines des tokamaks.
La fusion sur Terre
9
En pratique, la construction de ces machines est nettement plus compliquée : Schema du JET, le plus grand tokamak au monde situé en Angleterre.
La fusion sur Terre
10
Le jet en construction (1985)
Un technicien
La fusion sur Terre
11
L’enceinte
La fusion sur Terre
12
Le plasma. Il n’est vraiment visible que près des parois, mais il est présent dans toute l’enceinte.
La fusion sur Terre
13
II. Pourquoi la fusion sur Terre
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L’activité économique est le moteur principal du progrès. Le niveau de vie moyen des populations est très directement lié au niveau d’activité économique. Il semble donc raisonnable de vouloir augmenter ce niveau d’activité économique...
D’autre part, un haut niveau d’activité économique semble nécessiter une grande consommation d’énergie.
De plus, aujourd’hui, le taux d’émission de CO2 est directement proportionnel à la consommation d’énergie.
Notre défi : comment faire progresser notre niveau de vie sans polluer plus?
Besoins énergétiques
15
Besoins énergétiques
On devrait s’attendre à ce que les deux facteurs essentiels déterminent la consommation d’énergie :
- l’activité économique
- la population
Pour mesurer l’activité économique d’un pays, on utilise (notamment) :
Le produit intérieur brut (PIB) qui est la valeur totale de tous les biens et services produits dans une année à l’intérieur des frontières d’un pays, selon leur valeur marchande. Il s’agit de la mesure type de la taille globale de l’économie.
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En fait, la population n’a pas de lien très direct avec la consommation d’énergie
PIB
Afrique
Amérique du Nord
Amérique latine
Asie et Océanie
Europe y compris Russie
Moyen Orient
Population Consommation d’énergie
Besoins énergétiques
17
Par contre, l’activité économique est directement liée à la consommation d’énergie
PIB
Afrique
Amérique du Nord
Amérique latine
Asie et Océanie
Europe y compris Russie
Moyen Orient
PIB Consommation d’énergie
Besoins énergétiques
18
Besoins énergétiques
19
De plus, la consommation d’énergie est très directement liée à la quantité de CO2 émis.
PIB
Afrique
Amérique du Nord
Amérique latine
Asie et Océanie
Europe y compris Russie
Moyen Orient
Emissions de CO2 Consommation d’énergie
Besoins énergétiques
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On classe habituellement les différentes sources d’énergie en 3 catégories :
Les énergies fossiles
Le charbonLe pétroleLe gaz
Les énergies renouvelables L’énergie solaire L’énergie éolienne L’énergie hydraulique L’énergie géothermale La biomasse
L’énergie nucléaire La fission La fusion
Sources d’énergie
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1 tonne de pétrole = 1,00 tep1 tonne de charbon = 0,69 tep 1 tonne de bois = 0,30 tep1000 m3 de gaz naturel = 0.86 tep1 tonne d’uranium = 10 000 tep1 tonne de D-T = 9 000 000 tep
Pour mesurer la consommation ou la production énergétique, on utilise souvent le tep, une unité peu conventionnelle (tonne d’équivalent pétrole) : 1tep = 41855 Mjoules = 11626 kWh.
Sources d’énergie
22
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Charbon Pétrole Gaz Energiesrenouvelables
Energienucléaire
Pourcentage de la production mondiale
Energies fossiles
Sources d’énergieProduction mondiale
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Emissions de gaz àeffet de serre liées à laproduction d’électricité
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Biensd’investissement
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Cycle du
combustible
Combustion
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+ entretien
+ démolition
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Figure G2 : "Responsabilité" des centrales électriques en matière d’émission de gaz à effetde serre; approche sur base du cycle de vie
4. Emissions évitées par cogénération : approche statique
4.1. Emissions évitées par la production combinée comparée à la productionséparée
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Deux types de centrales à
combustibles fossiles
Centrales utilisant des énergies renouvelables
Nucléaire
Sources d’énergiePollutionau CO2
24
L’effet de serre
1) Notre principale source d’énergie sur Terre provient du rayonnement solaire.
2) Une partie de ce rayonnement traverse l’atmosphère et atteint la surface de la Terre.
3) Cette fraction de rayonnement est en partie absorbée par les différents constituants de la surface de la Terre (vivants ou minéraux) et en partie ré-émise.
4) Cette partie ré-émise n’est pas de la même nature que le rayonnement provenant du Soleil (modification de la longueur d’onde). Elle ne peut donc pas entièrement retraverser l’atmosphère pour s’échapper vers l’espace.
5) Certains gaz présents dans l’atmosphère vont jouer le rôle de “vitre” pour cette énergie ré-émise et la maintenir à la surface de la Terre. C’est ce que l’on appelle l’effet de serre. Les gaz en question sont appelés gaz à effet de serre.
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Terre
Rayonnement solaire
Fraction du rayonnement solaire réfléchie par
l’atmosphère
Fraction du rayonnement solaire atteignant la surface
Fraction du rayonnement solaire
absorbée par la surface de la Terre
Fraction renvoyée vers l’espace
Atmosphère
Fraction ré-émise par la surface
Fraction renvoyée vers la surface de la Terre : Effet
de serre
L’effet de serre
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L'effet de serre est principalement un phénomène naturel dû à plusieurs éléments présents dans l’atmosphère, tels que la vapeur d’eau, le gaz carbonique, l’ozone...
Sans cet effet, la température moyenne sur Terre serait de près de 30 degrés plus basse. C’est donc un phénomène bénéfique.
Cependant, son accentuation, causée par l’activité humaine et principalement par le rejet dans l’atmosphère de gaz augmentant l’effet de serre, risque fort d’être nuisible. Une élévation de la température moyenne sur Terre de plusieurs degrés est à craindre si l’évolution de l’activité humaine ne change pas.
Le consensus concernant l’influence de l’activité humaine sur l’augmentation de cet effet de serre est très large.
Par contre, les conséquences de cette augmentation de l’effet de serre sur l’environnement font encore l’objet de discussions.
L’effet de serre
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L’effet de serre
Les principaux gaz à effet de serre sont la vapeur d'eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O) et l'ozone (O3). Les gaz à effet de serre industriels incluent les halocarbones lourds (fluorocarbones chlorés), le fréon, le perfluorométhane et l'hexafluorure de soufre (SF6).
Il convient de distinguer la composante naturelle des gaz à effet de serre de la composante anthropique (due à l’activité humaine).
Tous ces gaz (H2O, CO2, CH4, N2O,...) ne participent pas de la même manière à l’effet de serre. Leur influence dépend de leur efficacité (PRG, potentiel de réchauffement global), ainsi que de leur temps de séjour dans l’atmosphère.
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Gaz à effet de serre formule PRG durée de séjour (ans)
dioxyde de carbone CO2 1 200 (variable)
méthane CH4 22 12
peroxyde d'azote N2O 310 120
dichlorodifluorométhane CCl2F2 6200-7100 102
chlorodifluorométhane CHClF2 1300-1400 12,1
tétrafluorure de carbone CF4 6500 50000
hexafluorure de soufre SF6 6500 3200
L’effet de serre
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Ce protocole, signé en 1997 à Kyoto, fixe des objectifs chiffrés de réduction des émissions de gaz à effet de serre afin de lutter contre le réchauffement climatique. Il impose depuis le 16 février 2005, date de sa mise en œuvre, à une trentaine de pays industrialisés d'atteindre des objectifs quantitatifs de réduction ou de limitation de leurs émissions de gaz à effet de serre.
Ainsi, selon le protocole de Kyoto, les pays industrialisés devront ramener en deçà des niveaux de 1990 leurs émissions combinées des six principaux gaz à effet de serre, exprimées en équivalent CO2 d’après leur PRG, durant la période 2008-2012. L’Union européenne, par exemple, aura à baisser ses émissions combinées de 8% tandis que le Japon devrait réduire ses émissions de 6%.
A l'heure actuelle, seuls quatre pays industrialisés n’ont pas encore ratifié le protocole de Kyoto : l’Australie, les États-Unis, le Liechtenstein et Monaco. L’Australie et les États-Unis ont indiqué qu’ils n’avaient pas l’intention de le faire; à eux deux, ils comptent pour plus d’un tiers des gaz à effet de serre du monde industrialisé.
L’effet de serre
Objectif du protocole de Kyoto
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Le dioxyde de carbone (CO2)
Les activités humaines principalement responsables de l’augmentation de la concentration en CO2 dans l’atmosphère sont l’industrie, le chauffage, le transport et la déforestation (les forêts constituent une grande réserve de carbone et sont souvent remplacées par des cultures qui ne contiennent que très peu de carbone). Le CO2 participe pour environ 75% à l'effet de serre anthropique.
Le méthane (CH4)
Le méthane est le principal constituant du gaz naturel. Les émissions de méthane dues aux activités humaines proviennent des élevages de ruminants, des rizières, des décharges et des fuites de canalisations de gaz naturel. Il est également libéré lors de l'exploitation de mines de charbon. Le CH4 participe pour environ 15% à l'effet de serre anthropique.
Le protoxyde d'azote (N2O).
Le protoxyde d'azote est rejeté par l'industrie chimique, qui utilise de l'acide nitrique, et par l'agriculture, qui utilise des engrais azotés. Le N2O participe pour environ 5% à l'effet de serre anthropique.
Les autres gaz concernés par le protocole de Kyoto sont les hydrofluorocarbones (HFC), les hydrocarbures perfluorés (PFC) et l’hexafluorure de soufre (SF6).
Les gaz à effet de serre concernés par le protocole de Kyoto
L’effet de serre
31
Emissions de CO2 = Population
* PopulationPIB
* PIBConsommation d’énergie
* Consommation d’énergie
L’équation toute simple déterminant les émissions de CO2 :
Difficile à maîtriser, mais à tendance à augmenter
On voudrait l’augmenter aussi vite que possible,
surtout dans le tiers-monde
Difficile à diminuer fortement (cela se fait surtout via les
économies d’énergie)
On peut fortement diminuer ce facteur, mais il faut de
nouvelles sources d’énergie
Emissions de CO2
L’effet de serre
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En d’autres termes...
Les émissions totales de CO2 sont donc données par le produit de 4 facteurs :
La population totale Elle risque d’encore augmenter et, dans tous les cas, personne ne prévoit une diminution significative de la population totale sur Terre dans un avenir proche.
Le taux moyen de production de bien et service par habitantC’est un des indicateurs principaux du niveau de vie moyen. Même si rien ne garanti que ce niveau de vie va augmenter dans le futur, c’est vers cela que l’on devrait tendre.
La consommation moyenne par quantité de bien et service produitC’est un facteur que l’on peut baisser en concevant des moyens de production, de locomotion et de chauffage plus efficaces. C’est la base même du mouvement écologiste.
Le taux d’émission de CO2 par quantité d’énergie consommée.C’est le facteur qui est susceptible de baisser le plus. Pour cela il faudrait utiliser d’autres sources d’énergie (énergies renouvelables, nucléaire, fusion, ...) que la combustion de matières fossiles.
L’effet de serre
33
III. Le projet ITER
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Un peu plus de détails sur la physique de la fusion
Bilan d’énergie dans un tokamak
Dans un tokamak, les réactions D + T He + n produisent une puissance Pfus qui se répartit à 80 % sur les neutrons et 20% sur les particules alpha.
L’énergie produite par la fusion ne reste cependant pas totalement dans le plasma. Une quantité non négligeable de la puissance Ppertes est ainsi perdue par différents mécanismes :
• Confinement imparfait : transport de particules et de chaleur.
• Rayonnement de freinage des électrons ralentis par les ions.
• Rayonnement synchrotron des électrons lié à leur mouvement de gyration autour des lignes de champ magnétique.
• Rayonnement dû aux impuretés provenant des parois lors des différents processus de physique atomique qui ont lieu dans le plasma.
Si Pfus < Ppertes, il faut maintenir le plasma dans les conditions de la fusion en injectant de l’énergie Pext via différents mécanismes de chauffage.
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Un peu plus de détails sur la physique de la fusion
La puissance Ppertes définit le temps de confinement de l’énergie tc.
Le rapport Q=Pfus/Pext définit le facteur d’amplification Q=1 : Break-EvenQ=∞ : Ignition
Le critère de Lawson pour obtenir l’ignition: tc T n > 10^21 kev m^(-3) s T = température du plasman = densité du plasma
Valeur maximale obtenue pour Q : 0.64 au JET, Q=1.25 JT-60 (Japon)Valeur nécessaire pour rentabilité : Q>10
Bilan d’énergie dans un tokamak
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Confinement magnétique
Le confinement magnétique utilise le mouvement de gyration des particules chargées autour des lignes de champ magnétique pour piéger le plasma dans un espace confiné.
Cependant, des lignes de champs ayant la topologie d’un simple cercle (champ purement toroïdal) ne permettent pas de confiner le plasma. On assiste alors à une dérive des trajectoires.
Un peu plus de détails sur la physique de la fusion
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Confinement magnétique
Il convient donc d’ajouter d’ajouter une composante poloïdale au champ magnétique. Au moins deux options sont envisagées :
La composante toroïdale du champ est créée par des bobines et la composante poloïdale est créée par un courant électrique toroïdal au sein du plasma. C’est le principe du tokamak
Les deux composantes sont directement créées par des bobines dont la géométrie est relativement complexe. C’est le principe du stellarator.
Un peu plus de détails sur la physique de la fusion
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Les mécanismes de chauffage
Le chauffage ohmique. Il utilise l’effet Joule associé au courant dans les tokamaks, mais comme la résistivité diminue significativement avec la température, cet effet perd de son efficacité lorsque le plasma est chaud.
L’injection de particules neutres énergétiques. Celles-ci libèrent leur énergie dans le plasma par collisions.
Le chauffage par ondes radio-fréquences. Cette méthode utilise une résonance, soit avec la fréquence cyclotron ionique (ICRH) à quelques dizaines de MHz, soit avec la fréquence cyclotron électronique (ECRH) de l’ordre de la centaine de GHz.
Un peu plus de détails sur la physique de la fusion
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Un peu plus de détails sur la physique de la fusion
Les avantages de la fusion
Abondance des combustibles : le deutérium est un isotope relativement abondant de l’hydrogène et le tritium est facilement produit à partir de lithium, lui même fort abondant.
Sécurité : Les dangers d’explosion des tokamaks sont nuls. De plus, le détournement à des fins non domestiques est pratiquement impossible.
Déchets : Pas d’émission de gaz à effet de serre. Production de déchets radioactifs, mais de temps de vie raisonnablement court (1 siècle).
Les inconvénients de la fusion
Difficultés techniques : confinement - matériaux - extraction.
Coût : à déterminer...
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La décision récente de construire le réac teur de fus ion ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, projet conjoint à la Commission Européenne, le Japon, les Etats-Unis, la Chine, la Russie, la Corée du Sud et l’Inde) à Cadarache, dans le sud de la France, constitue une reconnaissance extraordinaire du savoir-faire européen en la matière.
Budget d’ITER : 10 milliards d’€ sur une période de 30 ans. Pour information, le coût global sur la durée de vie (estimée à 35 ans) du dernier porte-avions français , le Charles de Gaulle, atteint près de 7,7 milliards d’€
ITER
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Paramètres Tore Supra JET ITER
Grand rayon du plasma (m) 2.25 3 6.21
Petit rayon du plasma (m) 0.7 1.25 2
Volume du plasma (m3) 25 155 837
Courant plasma (MA) 1.7 5-7 15
Champ magnétique (T) 4.5 3.4 5.3
Durée des impulsions (s) minute(s) 10 > 300 s
Type de plasma D-D D-D / D-T D-T
Puissance thermonucléaire (Pfus) ~ kW 50kW/ 10MW 500 MW
Q = Pfus / Pext ~ 0 ~1 >10
Puissance neutronique au bord 20 W/m² 60 kW/m² 0.57 MW/m²
ITER
Principaux paramètres de Tore Supra, JET, ITER
42
ITER
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Au niveau de l'Europe, la coordination des recherches sur la fusion démarra en 1957, avec la création de l'EURATOM. En effet, le Traité de Rome assigne à l'EURATOM toutes les activités liées aux applications énergétiques de l'atome, à l'étude de la fusion nucléaire contrôlée ainsi qu'aux applications touchant aux radio-isotopes.
En Belgique, les recherches sur le confinement magnétique des plasmas en vue de la réalisation de la fusion sont menées depuis 1969 dans le cadre d'un contrat d'association EURATOM - Etat Belge. L'unité de Physique Statistique et Plasmas de l'ULB constitue l'une des trois branches de cette association avec le Laboratoire de Physique des Plasmas de l'Ecole Royale Militaire et le Centre d'Etude Nucléaire de Mol.
A l’ULB, les recherches en physique des plasmas ont débuté il y a près de quarante ans, dans le service du Professeur Ilya Prigogine, futur prix Nobel de chimie. En effet, un de ses assistants, Radu Balescu, alors âgé de seulement 28 ans, publie en 1960 un article dans lequel est dérivée une équation décrivant les collisions au sein d'un plasma. Cette équation restera attachée au nom du Professeur Balescu qui reçut la plus haute distinction scientifique belge, le prix Francqui, en 1970. C’est donc très naturellement que l’ULB se retrouva impliquée dans le programme fusion avec Radu Balescu comme chef d’unité pendant près de 30 années.
Participation de l’ULB au programme fusion
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L’ULB s’est d’abord spécialisée dans l’étude théorique de la physique des plasma. Ce quatrième état de la matière est très répandu :
Eclairs Soleil & étoiles Téléviseurs
LampesAurores boréalesMilieu interstellaire
Participation de l’ULB au programme fusion
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Comme pour les autres états de la matière, le plasma peut être considéré de deux points de vue différents :
Une description corpusculaire : On suppose le milieu composé de particules très petites, souvent espacées d’une distance bien plus grande que leur taille et interagissant via des forces attractives ou répulsives. Cette description s’impose si on étudie les propriétés microscopiques du plasma. Les propriétés du plasma sont alors déduites d’une synthèse d’un grand nombre d’interactions entre ses composants microscopiques : Physique Statistique.
Une description continue : On suppose que les propriétés du milieu ne varient pas fortement avec la position. On “oublie” la composition en termes de particules. Cette vision s’impose si on considère les propriétés macroscopique du plasma. Les propriétés du plasma sont alors déduites du couplage entre l’hydrodynamique et l’électromagnétisme : Magnétohydrodynamique.
La magnétohydrodynamique s’applique également à la description des mouvements dans les métaux liquides.
Participation de l’ULB au programme fusion
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Description des propriétés physiques du plasma à l’intérieur de l’enceinte au moyen de la physique statistique (activités historiques de l’ULB) et de la magnétohydrodynamique.
Description au moyen de la magnétohydrodynamique des mouvements de métaux liquides dans certains éléments constituant la couverture de l’enceinte (act iv i tés p lus récen tes , supportées également par un grant EURYI, B. Knaepen, 2005).
Description de l’interaction entre le plasma et les matériaux constituant l’enceinte (activités développées essentiellement en collaboration avec des collègues du CEN de Mol).
Schéma d’ITER
Participation de l’ULB au programme fusion
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Sources bibliographiques
Direction générale de l’énergie et des matières premières, ministère de l’économie des finances et de l’industrie (http://www.industrie.gouv.fr/energie/sommaire.htm) du gouvernement français.
Index Mundi http://www.indexmundi.com
Commissariat à l’Energie Atomique : http://www.cea.fr, http://www-fusion-magnetique.cea.fr et notamment le livre a version 2005 du livret “Informations sur l’énergie”.
Encyclopédie online Wikipedia : http://fr.wikipedia.org
Rapport de la Commission pour l’Analyse des Modes de Production de l’électricité et le Redéploiement des Énergies (AMPERE) au Secrétaire d’État à l’Énergie et au Développement durable.
Site d’ITER : http://www.iter.org
European Fusion Dévelopment Agreement : http://www.jet.efda.org
Bureau fédéral du Plan http://www.plan.be/websites/pp095/fr/html_books/
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Merci pour votre attention
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