Les réactions de fusion thermonucléaire

Qu’est ce que la fusion : les réactions de fusion thermonucléaire

Contrairement à la fission nucléaire, qui consiste à scinder des noyaux lourds en noyaux plus légers pour générer de l’énergie, la réaction de fusion nucléaire réunit deux noyaux légers qui forment un noyau plus lourd, “créant” là-aussi de l’énergie. Cet apport est issu de la différence d’énergie de liaison par nucléon de chaque noyau : celle-ci croît en partant des noyaux légers vers le Fer (élément le plus stable) et augmente aussi en partant des noyaux lourds vers le Fer . L’énergie de liaison correspond à l’énergie nécessaire à fournir pour dissocier les éléments de ce noyau : plus celle-ci est importante, plus l’énergie dont le noyau a besoin pour rester soudé est au contraire faible. Une réaction de fusion d’éléments légers en un élément plus stable libère donc de l’énergie potentiellement utilisable pour produire de l’électricité.

Reproduire les réactions de fusion sur la Terre

Les avantages de la fusion

Plusieurs éléments sont de nature à montrer l’intérêt de la fusion nucléaire par confinement magnétique en tant que source d’énergie :
– La réaction de fusion en elle-même ne dégage pas d’éléments radioactifs. Les matériaux des parois peuvent toutefois être irradiés par les neutrons suffisamment énergétiques. La durée de vie de ces déchets radioactifs est plus faible que celle des déchets issus de la fission, ce qui implique un temps de stockage réduit avant que ces matériaux redeviennent inertes.
– Pas d’emballement incontrôlé des réactions nucléaires similaires aux accidents possibles sur des centrales à fission, tels que ceux des centrales de Tchernobyl (1986) et de Fukushima (2011). En effet, un champ magnétique est nécessaire au réacteur notamment pour le confinement qui ne peut s’auto-entretenir.
– Des réserves de combustibles très importantes : le deutérium peut s’extraire facilement de l’eau de mer, tandis que le tritium peut être produit directement dans un réacteur à fusion, à partir de lithium lui aussi très abondant sur Terre.

L’état de plasma

Avant de pouvoir tirer parti de l’énergie libérée par les réactions de fusion, il faut dans un premier temps en fournir aux ions pour qu’ils puissent vaincre les forces de répulsion électrostatiques. Une fois franchi un certain afflux de puissance, l’agitation thermique est telle que les électrons sont arrachés aux atomes. Le milieu est alors ionisé. Composé en partie non négligeable d’ions positifs et d’électrons, il prend le nom de “plasma”, présenté parfois comme le quatrième état de la matière après les états solide, liquide et gazeux. Bien que peu présent naturellement sur Terre, le plasma représente la quasi-totalité de de la matière visible et connue, c’est-à-dire matière noire exclue. Le plasma peuple toutes les étoiles, mais aussi certains milieux interstellaires. Sur Terre, on le retrouve tout de même sous forme d’éclairs, de flammes, et dans les hautes couches de l’atmosphère (ionosphère notamment). Artificiellement, il est utilisé dans les ampoules à économie d’énergie et autres néons, dans les écrans plasmas ou encore dans de nombreux procédés industriels.

Comment reproduire le mode de fonctionnement du Soleil sur Terre ?

Au coeur du soleil, la force gravitationnelle résultant de la masse solaire qui engendre une pression extrême. Les noyaux ainsi compressés ont la capacité de fusionner. Ce phénomène ne peut pas être reproduit sur Terre avec les technologies actuelles. Les techniques alternatives imaginées et expérimentées sur notre planète peuvent être regroupées en deux principales familles :

– L’utilisation de lasers extrêmement puissants : en tirant sur des petites cibles de matière à partir de dizaines de lasers, la pression et la température engendrées par l’énergie apportée sont telles que les atomes sont capables de fusionner. Le laser français MégaJoule , dont la construction doit s’achever en 2014, constitue l’un des projets de ce genre les plus avancés. Le NIF (National Ignition Facility) est un complexe américain d’envergure similaire.
– La fusion par confinement magnétique, dont nous nous préoccupons dans cette thèse, est différente de la technique précédente qui met en jeu un confinement inertiel. Le confinement de la matière est effectué via la sensibilité de l’état de plasma au champ magnétique, qui s’explique par la présence d’éléments non neutres (ions et électrons) en forte proportion. Lorsque le champ magnétique est suffisamment intense, il devient possible de vaincre les forces de répulsion, et donc de comprimer fortement les noyaux pour qu’ils fusionnent. Plusieurs types de machines, qui répondent aux noms de tokamak, stellerator ou encore sphéromak, ont été construites dans le but de mettre en pratique ce concept.

Principes de fonctionnement d’un tokamak

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur les machines de type tokamak. Ce motest l’abréviation d’une expression russe signifiant “chambre toroïdale avec des bobinesmagnétiques”, mot ayant été conservé depuis son origine en ex-URSS au début des années 1950, les premières expérimentations ayant eu lieu quelques années plus tard.

Le Projet ITER 

Le projet de tokamak ITER est un projet scientifique mettant en jeu une coopération internationale d’une ampleur exceptionnelle. Le tokamak en fonctionnement rassemblant la plus grande diversité de contributions est actuellement le tokamak européen JET. L’objectif d’ITER [3, 4] consiste à démontrer la faisabilité technique et scientifique d’un réacteur thermonucléaire de type tokamak. Plus précisément, il s’agit d’obtenir environ 500 MW de puissance thermonucléaire. Le rapport Q entre la puissance générée par la fusion et la puissance injectée devra être porté à 10 pendant plusieurs minutes, et à 5 de manière quasi-stationnaire. Ce tokamak sera notamment équipé de bobines supraconductrices. Ce projet offrira plusieurs défis : extraire la puissance du plasma de manière suffisamment efficace, concevoir des matériaux capables de résister à des conditions extrêmes, mettre en place la régénération du tritium, et surtout assurer un confinement satisfaisant du plasma. En effet, de nombreuses sources d’instabilités, notamment liées aux forts gradients de densité et de température, engendrent de la turbulence. Cette dernière est à l’origine d’intenses flux de chaleur et de particules vers les parois du tokamak. La compréhension du comportement de la turbulence est donc un enjeu majeur pour la réussite du projet ITER.

Table des matières

INTRODUCTION
1 Introduction aux plasmas de fusion par confinement magnétique
1.1 Qu’est ce que la fusion : les réactions de fusion thermonucléaire
1.2 Reproduire les réactions de fusion sur la Terre
1.2.1 Les avantages de la fusion
1.2.2 L’état de plasma
1.2.3 Comment reproduire le mode de fonctionnement du Soleil sur Terre ?
1.2.4 Principes de fonctionnement d’un tokamak
1.2.4.1 Critère de Lawson, breakeven et ignition
1.2.4.2 Confinement et chauffage du plasma
1.2.5 Méthode de confinement
1.2.6 Le Projet ITER
1.3 Caractéristiques et description d’un plasma de tokamak
1.3.1 Centre guide
1.3.2 Adiabaticité
1.3.3 Dérives
1.3.4 Géométrie
1.3.5 De l’équation microscopique de Klimontovich à l’équation de continuité, en passant par l’équation de Vlasov
1.3.6 Quasi-neutralité
1.3.7 Hypothèse des électrons adiabatiques (ou Boltzmaniens)
1.3.8 Transport turbulent et néoclassique, barrières de transport et transition LH
1.4 Turbulence et flux zonaux
1.4.1 Turbulence d’onde de dérive
1.4.1.1 Equations d’Hasegawa-Wakatani
1.4.1.2 Equations d’Hasegawa-Mima et d’Hasagawa-Mima généralisée
1.4.1.3 Propagation des ondes de dérive
1.4.1.4 Instabilités d’ondes de dérive
1.4.2 Flux zonaux
1.4.2.1 Formation et amplification
1.4.2.2 Amortissement
1.4.3 Effet des interactions non locales sur la cascade turbulente et le spectre de Fourier
2 Etude des interactions entre turbulence et flux zonaux à partir d’un modèle en couches
2.1 Introduction : le concept du modèle en couches
2.2 Construction du modèle en couches couplant des échelles disparates
2.3 Modèle à 2 couches de turbulence couplés à une couche de grande échelle
2.4 Etude analytique du système prédateurs-proies flux zonaux – ondes de dérives
2.4.1 Recherche et analyse des points fixes
2.4.2 Solution analytique de la partie purement non linéaire
2.4.3 Dynamique moyennée du système prédateurs-proies
2.5 Analyse à deux temps et régime instable
2.6 Exploration numérique des différents régimes selon les coefficients d’amortissement et de croissance linéaire
2.6.1 Outil numérique
2.6.2 Influence de νF sur la stabilité et les états stationnaires
2.6.3 Influence du coefficient de croissance linéaire γ
2.7 Influence des flux zonaux et des écoulements cisaillés sur la micro-turbulence
2.7.1 Mise en place et vérification de la validité du modèle à N+1 couches
2.7.2 Etude numérique de l’influence des structures de grande échelle sur le spectre
2.7.3 Eléments de comparaison avec le code gyrocinétique GENE et des observations expérimentales sur Tore Supra
3 Modèle de transport radial pour l’étude de la transition L-H
3.1 Modèle réduit de transport radial à trois champs
3.1.1 Equations de transport radial
3.1.2 Comment établir l’équation modélisant la turbulence ?
3.1.3 Etude analytique du système à 3 champs pour la transition L-H
3.1.4 Expériences numériques
3.2 Modèle de transport couplé multi-échelles
3.2.1 Description du modèle
3.2.2 Observations numériques
3.2.2.1 Transition L-H avec augmentation rapide du chauffage
3.2.2.2 Transition L-H avec chauffage progressif
4 Production d’entropie
CONCLUSION

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