Les débuts de la fusion magnétique

Les débuts de la fusion magnétique

GENERALITE SUR LA FUSION THERMONUCLEAIRE CONTROLEE

UTILISATION DE L’ENERGIE NUCLEAIRE

La ”fusion” des éléments les plus légers, à l’autre extrémité de la même classification, deux noyaux d’isotopes de l’hydrogène : le deutérium et le tritium, qui en « fusionnant » engendrent un élément plus lourd, l’hélium, en dégageant également une grande quantité d’énergie. Dans les deux réactions nucléaires citées, la matière devient source d’énergie, comme le prévoit l’équation d’Einstein E = mC2 (E l’énergie d’un corps est équivalente à sa masse multipliée par le carré de C la vitesse de la lumière dans le vide soit 300 000 kilomètres par seconde) [3]. Ces deux réactions ont apporté une avancée énergétique très prometteuse et de longue durée.

L’énergie nucléaire incontrôlée
L’énorme quantité d’énergie libérée par les réactions de fission et de fusion, si elle n’est pas contrôlée, peut être utilisée comme arme de destruction massive. Cette puissance destructrice fut brutalement révélée au grand public par les bombardements atomiques des villes japonaises de Hiroshima et Nagasaki, les 6 et 9 aout 1945 [4].

La bombe A
La bombe atomique, ou bombe A, fondée sur Ie principe de la fission, fut la première arme nucléaire développée. L’explosif est un élément lourd comme L’uranium 235 ou Ie plutonium 239. Le mécanisme a la base de la bombe atomique est une réaction en chaine ou chaque neutron émis par la fission d’un noyau déclenche la fission d’un autre noyau, ce qui provo que rémission de nouveaux neutrons qui, a leur tour, vont faire fissionner d’autres noyaux et ainsi de suite. De l’énergie étant libérée a chaque réaction de fission, la réaction en chaine libère une quantité énorme d’énergie en quelques microsecondes: c’est l’explosion atomique. Pour qu’une réaction en chaine puisse s’enclencher il faut que la quantité d’explosif soit suffisante pour que chaque neutron émis ait une probabilité importante d’interagir avec un noyau avant de s’échapper. La quantité minimum d’explosif nécessaire définit la masse critique (52 kg pour l’uranium 235, 10 kg pour Ie plutonium .

Energie dégagée par une bombe A
L’usage est d’exprimer I’energie d’une bombe atomique en « kilotonnes ». 1 kilotonne equivaut a I’energie degagee par I’explosion de 1 000 tonnes de TNT, Ie trinitrotoluene, un explosif chimique particulierement puissant. La fission complete de 1 kg de matiere correspond a 17 kt. Pour fixer les idees, disons que 1 cm 3 de matiere fissile est capable de degager en moins d’une microseconde une energie equivalente a celuie que contiendrait un train de marchandises plein d’explosif chimique .

La bombe H
La bombe a hydrogene, ou bombe H, developpee a partir de 1950, est une arme nucleaire qui utilise l’energie degagee par la fusion d’elements legers . Contrairement a la bombe A, son declenchement ne necessite pas de masse critique, ce qui la rend plus aisee a transporter. L’ eXplosi£: constitue d’un melange de deuterium, de tritium et de lithium, est porte a tres haute temperature par l’ explosion d’une petite bombe A qui joue Ie role de detonateur. Ce chauffage est si rapide que l’inertie des noyaux suffit a les maintenir confines et les reactions de fusion peuvent alors s’ enclencher. Dans ce cas, on parle de bombe a deux etages (fission/fusion). Afin d’augmenter la puissance on peut encore ajouter un autre etage (bombe a trois etages fission/fusion/fission) ou une reaction en chaine de fission est amorcee par les neutrons degages par la fusion.

Lenergie nucleaire contrôlée
Pour utiliser l’energie nucleaire a des fins civiles, il faut realiser un reacteur permettant de controler les reactions nucleaires. Si de tels reacteurs existent pour la fission, leur realisation pour la fusion constitue un des grands defis de l’energie nucleaire de demain.

Principe d’un reacteur de fission

Aujourd’hui, les reacteurs nucleaires produisent de la chaleur grace a la fission de l’uranium ou du plutonium. Cette chaleur peut ensuite etre utilisee pour produire de l’electricite (centrales nucleaires) ou propulser des navires (sous-marins, porte-avions, brise-glaces) . Le pilotage d’un reacteur nucleaire repose sur Ie controle de la reaction en chaine qui s’ enclenche lorsque la masse critique de combustible au coeur du reacteur est atteinte. Pour entretenir la reaction en chaine, on entoure la matiere fissile d’un reflecteur de neutrons. Pour eviter l’emballement de la reaction en chaine, on introduit des barres de materiaux qui absorbent les neutrons, comme Ie cadmium ou Ie gadolinium, dans la matiere fissile. Les neutrons produits par la fission sont ralentis grace a un materiau «moderateur» (eau lourde, graphite). En effet, plus un neutron est lent, plus la probabilite qu’il soit capture par un noyau du combustible et provoque sa fission est grandee L’energie cinetique des produits de fission doit etre recuperee pour servir a la production d’ electricite. Ce role est assure par un fluide transporteur de chaleur (de l’ eau sous pression dans la majorite des reacteurs) qui circule autour des barreaux d’uranium .

POUVOIR DE PENETRATION DES RAYONNEMENTS IONISANTS

Les moins penetrants sont les particules alpha qui peuvent etre arretees par une feuille de papier. Les particules B- (des electrons) peuvent parcourir quelques metres dans I’air, mais elles seront facilement arretees par une feuille fine d’aluminium. Les rayons X et gamma sont tres penetrants et pour s’en proteger, il est necessaire de disposer d’un mur de plomb ou de beton. II faut egalement du beton ou de I’eau pour arreter les neutrons. Leur pouvoir de penetration depend de leur energie.

Pourquoi LA FUSION

Pour mieux comprendre les grands projets concernant la fusion aujourd’hui, il est utile de se tourner vers Ie passe. Les origines de la recherche sur la fusion thermonucleaire coincident avec la naissance de la physique stellaire, vers la fin des annees 1920 . L’astronome britannique Arthur Stanley Eddington suggera que l’energie des etoiles devait etre d’ origine sub-atomique et que « l’homme apprendrait un jour a liberer cette energie pour l’utiliser a ses propres fins». En 1934, Rutherford realisa la toute premiere reaction de fusion en laboratoire: il s’ agissait de la fusion de quelques noyaux de deuterium. On etait encore bien loin du nombre colossal de reactions necessaire pour produire de l’energie. Et quel ques annees plus tard, Hans Bethe identifiait la sequence des reactions thermo nucleaires qui se produisent au coeur des etoiles. Des les annees 1940, on avait compris que la fusion etait une source d’ energie bien plus «propre» que la fission: la quantite de dechets radioactifs produits est beaucoup plus faible et leur periode radioactive est en moyenne beaucoup plus courte. La periode radioactive est Ie temps necessaire pour que la moitie des noyaux d’un echantillon se desintegre naturellement. Dans Ie cas de la fusion, elle est de l’ordre de quelques dizaines d’annees, contre des centaines de milliers d’ annees, voire des millions d’ annees pour certains dechets issus de la fission ! Un autre avantage, et non des moindres, de la fusion par rapport a toute autre forme de production d’ energie est que les combustibles les noyaux legers sont quasi inepuisables: Ie deuterium se trouve dans l’ eau de mer en quantite suffisante pour un besoin energetique planetaire de plusieurs millenaires et Ie tritium peut etre extrait facilement du lithium, un metal leger, dont les reserves sur Terre sont suffisantes pour dix mille ans. Le premier brevet de reacteur a fusion fut depose en Angleterre en 1946. Dans les annees 1950, en periode de guerre froide, les applications militaires evidentes de la fusion placent l’ ensemble des recherches en ce domaine sous Ie sceau du secret. Americains, Russes, Anglais, rejoints en 1955 par la France, l’Allemagne et Ie Japon, intensifient leurs recherches sans communiquer entre eux ni publier leurs resultats. L’annee 1958 marque un tournant important dans l’histoire de la fusion controlee, avec la levee du secret militaire sur les recherches: en septembre, a la conference Atomes pour fa paix de Geneve, les differents pays devoilent les configurations sur lesquelles ils travaillent, a l’epoque la fusion magnetique etait la seule prise en consideration. C’est ici que prend reellement forme Ie grand reve de faire de la fusion une source energetique civile. C’ est egalement ici qu’ on prend conscience du fait que maitriser la fusion ne sera pas facile. Le physicien Teller dit: «Je pense que la fusion peut etre realisee, mais je ne crois pas qu’elle aura au cours de ce siecle (Ie XX I) une importance concrete». Dans les annees 1970, les recherches sur la fusion deviennent une partie importante de ce qu’ on appelle «la Big Science ». Le cout et la complexite des dispositifs sont tels que la cooperation internationale devient indispensable pour pouvoir reunir les competences techniques et financer les projets.

TEMPERATURE ET ENERGLE

Molecules, atomes et noyaux ne sont au repos qu’a la temperature (impossible a atteindre) du zero absolu, c’est-a- dire a 0 kelvin , qui correspond a 273,15 °C. Lorsque la temperature n’est pas nulle, ils se deplacent constamment: c’est I’agitation thermique. On peut associer a cette agitation I’energie cinetique moyenne des particules, c’est-a-dire I’energie que les particules possedent du fait de leur mouvement. Cela permet d’exprimer la temperature en unite d’energie. Dans Ie cadre de la fusion thermonucleaire, I’unite parfois utilisee est I’electronvolt (eV) avec Ie facteur de conversion 1 eV == 11 400 K.

Le plasma

Le plasma est un gaz ionisé. Dans le plasma, les électrons ont été arrachés du noyau central. Le plasma est donc une mer d’ions positifs et d’électrons négatifs qui se comporte comme un bon conducteur électrique susceptible d’être affecté par les champs magnétiques. Les électrons se trouvent séparés du noyau à condition que la température du gaz soit suffisamment élevée. Dans le plasma de fusion thermonucléaire, la température peut atteindre 100, 000,000 de degrés centigrades. Dans un plasma thermique, la grande agitation des ions et des électrons produit de nombreuses collisions entre les particules. Pour que ces collisions soient suffisamment violentes et entraînent une fusion, trois grandeurs interviennent :
1. la température T ;
2. la densité N ;
3. le temps de confinement τ.
Le critère de Lawson  établit que le facteur Nτ doit atteindre un certain seuil pour obtenir le breakeven où l’énergie libérée par la fusion est égale à l’énergie dépensée. C’est le seuil à partir duquel la réaction est capable de s’auto-entretenir. Pour la réaction deutérium + tritium, ce seuil est de 1014 s/cm3 . L’énergie de liaison des constituants provient de la force forte, l’une des quatre forces fondamentales de l’univers. Or l’investissement énergétique à fournir pour rompre cette liaison est proportionnel au produit des charges électriques des deux noyaux en présence. C’est pourquoi on a choisi le deutérium et le tritium, deux isotopes lourds de l’hydrogène, pour lesquels ce produit vaut 1 .

L’énergie minimale à fournir pour obtenir une fusion est de 4 keV (équivalent à une température de 40 millions de degrés), l’énergie libérée est alors de 17,6 MeV répartie pour 80% dans les neutrons émis et pour 20% dans l’hélium4 produit. Mais l’énergie nécessaire pour atteindre le critère de Lawson et un rendement suffisamment positif se situe vers 10 keV soit 100 millions de degrés. À titre de comparaison, le Soleil possède une température de 15 millions de degrés en son centre .

LA REACTION DE FUSION

Quels noyaux choisir?
Les réactions de fusion qui dégagent le plus d’énergie sont celles qui impliquent les noyaux les plus légers comme par exemple les noyaux d’hydrogène (un proton), de deutérium (un proton et un neutron) et de tritium (un proton et deux neutrons) . Le but étant de récupérer Ie plus d’énergie possible, les réactions deutérium-tritium (D-T) et deutérium-hélium 3 semblent d’excellentes candidates a priori. Mais ce n’est pas tout: pour que l’énergie récupérée dépasse l’énergie investie, il faut qu’un grand nombre de réactions se produisent sans pour cela devoir chauffer le combustible de façon prohibitive. Le choix de la réaction que l’on va utiliser repose sur la section efficace de réaction qui mesure, en fonction de la tempe- rature, la probabilité que deux noyaux franchissent la barrière de répulsion et fusionnent [13]. , la réaction D-T a un avantage considérable sur les autres réactions: sa section efficace est la plus importante et elle est maximum pour des températures relativement faibles. Le mariage D-T est très énergétique: 1 gramme de ce mélange produit autant d’énergies qu’environ 10 tonnes de pétrole ou un kilogramme d’uranium .

Le carburant
Le carburant utilisé pour la fusion thermonucléaire contrôlée est l’hydrogène et ses deux isotopes, le deutérium et le tritium (voir figure 7) [13]. L’hydrogène est présent en abondance dans l’eau (H2O) et est composé d’un noyau de un proton et d’un électron qui l’orbite. Le deutérium est un des isotopes de l’hydrogène dont le noyau contient un neutron en plus du proton avec un électron qui orbite le noyau. Dans l’eau, un atome sur approximativement 6500 est un atome de deutérium. Le tritium est l’autre isotope de l’hydrogène et est caractérisé par un noyau constitué d’un proton et de deux neutrons. Absent à l’état naturel, le tritium peut être généré à partir du lithium, élément abondant dans la croute terrestre.

Conclusion générale

Le but de ce mémoire consiste en une étude bibliographique sur la fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique.

Table des matières

Introduction général 
Chapitre 01 Généralité sur la fusion thermonucléaire contrôlée
1. utilisation de l’énergie nucléaire (contrôlée et non contrôlée
1.1. l’énergie nucléaire incontrôlée
1.1.1. la bombe a
1.1.2. énergie dégagée par une bombe a
1.1.3. la bombe h
1.2. lenergie nucleaire contrôlée
2. principe d’un reacteur de fission
3. pouvoir de penetration des rayonnements ionisants
4. pour quoi la fusion
5. température et énergie
6. le plasma
7. la réaction de fusion
7.1. quels noyaux choisir?
7.2. le carburant
7.3. la production de l’énergie
Chapitre 02 des exemples sur les machines de confinement magnétique
1. l’évolution des réacteurs
2. le tokamak
3. tore supra
Chapitre 03 comment peut ont produire de l’énergie avec la fusion
Introduction
1. les débuts de la fusion magnétique
2. le principe du confinement magnétique
3. la configuration fermée
4. le chauffage du plasma
4.1. chauffage par courant
4.2. chauffage par injection de particules neutres
4.3. chauffage par des ondes
5. bilan énergétique et facteur d’amplification
Chapitre 04 le réacteur iter
1. la naissance d’iter
2. comment fonctionnera iter?
3. l’« aspirateur» des impuretés
4. comparaison des principales caractéristiques techniques d’iter avec ses
prédécesseurs.
Conclusion général

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