La consommation d’énergie par l’humanité augmente chaque année, ce qui pousse le secteur de l’énergie à se développer activement. Ainsi, avec l’apparition des centrales nucléaires, la quantité d’énergie produite dans le monde a considérablement augmenté, ce qui a permis d’utiliser l’énergie en toute sécurité pour répondre à tous les besoins de l’humanité. Par exemple, 72,3 % de l’électricité produite en France provient de centrales nucléaires, 52,3 % en Ukraine, 40 % en Suède, 20,4 % en Grande-Bretagne et 17,1 % en Russie. Cependant, la technologie n’est pas en reste et pour répondre aux besoins énergétiques des pays du futur, les scientifiques travaillent sur un certain nombre de projets innovants, dont ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Modèle informatique d’ITER
Table des matières
Avantages et inconvénients
Bien que la rentabilité de cette installation soit encore remise en question, selon les travaux de nombreux chercheurs, la création et le développement ultérieur de la technologie de la fusion contrôlée pourraient déboucher sur une source d’énergie puissante et sûre. Examinons les aspects positifs d’une telle installation :
- Le principal combustible d’un réacteur de fusion est l’hydrogène, ce qui signifie que les réserves de combustible nucléaire sont pratiquement inépuisables.
- L’hydrogène peut être extrait en traitant l’eau de mer, qui est disponible dans la plupart des pays. Cela implique l’impossibilité d’un monopole des ressources en combustible.
- La probabilité d’une explosion accidentelle pendant le fonctionnement d’un réacteur de fusion est beaucoup plus faible que pendant le fonctionnement d’un réacteur nucléaire. Selon les estimations des chercheurs, même en cas d’accident, les émissions de radiations ne constitueraient pas un danger pour la population et il n’y aurait donc pas lieu d’évacuer.
- Contrairement aux réacteurs nucléaires, les réacteurs à fusion produisent des déchets radioactifs dont la demi-vie est courte, ce qui signifie qu’ils se désintègrent plus rapidement. Il n’y a pas de produits de combustion dans les réacteurs à fusion.
- Un réacteur à fusion ne nécessite pas de matériaux qui sont également utilisés pour les armes nucléaires. Cela élimine la possibilité de dissimuler la production d’armes nucléaires en transformant des matériaux pour les besoins d’un réacteur nucléaire.
Réacteur thermonucléaire — vue de l’intérieur
Cependant, les chercheurs sont constamment confrontés à un certain nombre de lacunes techniques.
Par exemple, la version actuelle du combustible, qui est un mélange de deutérium et de tritium, nécessite le développement de nouvelles technologies. Ainsi, à la fin de la première série d’essais du JET, le plus grand réacteur de fusion à ce jour, le réacteur est devenu tellement radioactif qu’il a fallu mettre au point un système spécial de maintenance robotisée pour achever l’expérience. Un autre facteur décevant du réacteur de fusion est son rendement de 20 %, alors que le rendement des centrales nucléaires est de 33-34 % et celui des centrales thermiques de 40 %.
Le réacteur de fusion JET
Création du projet ITER et lancement du réacteur
Le projet ITER remonte à 1985, lorsque l’Union soviétique a proposé le développement conjoint d’un tokamak — une chambre toroïdale avec des bobines magnétiques qui peut contenir du plasma à l’aide d’aimants, créant ainsi les conditions requises pour qu’une réaction de fusion se produise. En 1992, un accord quadripartite sur le développement d’ITER a été signé par l’UE, les États-Unis, la Russie et le Japon. En 1994, la République du Kazakhstan a rejoint le projet, en 2001 le Canada, en 2003 la Corée du Sud et la Chine, en 2005 l’Inde. En 2005, le lieu de construction du réacteur a été déterminé : le centre de recherche sur l’énergie nucléaire de Cadarache, en France.
La construction du réacteur a commencé par la préparation de la fosse de fondation. Les paramètres de l’excavation étaient donc de 130 x 90 x 17 mètres. L’ensemble du complexe avec le tokamak pèsera 360 000 tonnes, dont 23 000 tonnes pour le tokamak lui-même.
Différents éléments du complexe ITER seront développés et livrés sur le site de construction depuis les quatre coins du monde. En 2016, la Russie a développé une partie des conducteurs des bobines poloïdales, qui ont ensuite été envoyés en Chine, où les bobines seront produites.
Il est évident que des travaux d’une telle ampleur ne sont pas faciles à organiser, et plusieurs pays n’ont pas respecté le calendrier du projet à plusieurs reprises, ce qui a eu pour conséquence de repousser sans cesse la mise en service du réacteur. Ainsi, selon l’annonce du mois de juin de l’année dernière (2016), «la première production de plasma est prévue pour décembre 2025».
La construction d’ITER en 2016
Le mécanisme de fonctionnement du tokamak ITER
Le terme «tokamak» vient d’un acronyme russe qui signifie «chambre toroïdale avec bobines magnétiques».
Le cœur du tokamak est sa chambre à vide en forme de tore. À l’intérieur, sous l’influence d’une température et d’une pression extrêmes, l’hydrogène gazeux se transforme en plasma — un gaz chaud chargé électriquement. Comme on le sait, la matière stellaire est représentée par le plasma, et les réactions thermonucléaires dans le cœur du Soleil se produisent précisément dans des conditions de température et de pression élevées. Ces conditions de formation, de rétention, de compression et de chauffage du plasma sont créées au moyen de bobines magnétiques massives, situées autour de l’enceinte à vide. Les effets des aimants contribueront à confiner le plasma chaud contre les parois de la cuve.
Modèle de formation d’un cordon de plasma dans ITER
Avant le début du processus, l’air et les impuretés sont éliminés de la chambre à vide. Les systèmes magnétiques qui aideront à contrôler le plasma sont ensuite chargés et le combustible gazeux est introduit. Lorsqu’un puissant courant électrique traverse la cuve, le gaz se divise électriquement et s’ionise (c’est-à-dire que les électrons quittent les atomes) pour former un plasma.
Lorsque les particules de plasma sont activées et entrent en collision, elles commencent également à se réchauffer. Des techniques de chauffage auxiliaires permettent de porter le plasma à des températures comprises entre 150 et 300 millions de degrés Celsius. Les particules «excitées» à ce point peuvent surmonter leur répulsion électromagnétique naturelle lorsqu’elles entrent en collision, et d’énormes quantités d’énergie sont libérées à la suite de ces collisions.
Les principaux éléments de la conception d’un tokamak
La structure du tokamak se compose des éléments suivants :
L’enceinte à vide
(le «beignet») est une chambre toroïdale en acier inoxydable. Son grand diamètre est de 19 mètres, son petit diamètre de 6 mètres et sa hauteur de 11 mètres. La chambre a un volume de 1 400 m 3 et une masse de plus de 5 000 tonnes. Les parois de l’enceinte à vide sont doubles et le liquide de refroidissement, de l’eau distillée, circule entre les parois. Pour éviter la contamination de l’eau, la paroi intérieure de la chambre est protégée des rayonnements radioactifs par une couverture.
Couverture
(«blanket») — consiste en 440 fragments couvrant la surface intérieure de la chambre. La surface totale du banquet est de 700 m2 . Chaque fragment est une sorte de cassette, dont le corps est en cuivre et la paroi frontale amovible en béryllium. Les paramètres des cassettes sont de 1×1,5 m et leur masse ne dépasse pas 4,6 tonnes. Ces cassettes en béryllium ralentiront les neutrons à haute énergie produits pendant la réaction. Pendant la décélération des neutrons, de la chaleur sera générée et évacuée par le système de refroidissement. Il convient de noter que les poussières de béryllium générées par le fonctionnement du réacteur peuvent provoquer une maladie grave appelée bérylliose et ont également des effets cancérigènes. C’est pourquoi des mesures de sécurité strictes sont mises en place dans le complexe.
Tokamak en coupe. Jaune — solénoïde, orange — aimants de champ toroïdal (TF) et de champ poloïdal (PF), bleu — couverture, bleu clair — VV — enceinte à vide, violet — divertor
Dérivateur
(«cendrier») de type poloïdal est un dispositif dont la tâche principale est de «nettoyer» le plasma des impuretés résultant du chauffage et de l’interaction avec lui des parois de la chambre recouverte d’une couverture. Lorsque ces impuretés pénètrent dans le plasma, elles commencent à émettre intensément, ce qui entraîne des pertes de rayonnement supplémentaires. Il est situé dans la partie inférieure du tokomak et, à l’aide d’aimants, dirige les couches supérieures du plasma (qui sont les plus contaminées) vers la chambre de refroidissement. Le plasma y est refroidi et transformé en gaz avant d’être pompé hors de la chambre. Une fois dans la chambre, la poussière de béryllium est pratiquement incapable de retourner dans le plasma. La contamination du plasma ne reste donc qu’à la surface et ne pénètre pas en profondeur dans le plasma.
Le cryostat
— Il s’agit d’une coque en acier inoxydable de 16 000 m 2 (29,3 x 28,6 m) pesant 3 850 tonnes. Le cryostat abritera les autres éléments du système et servira de barrière entre le tokamak et l’environnement extérieur. Ses parois internes seront dotées de boucliers thermiques refroidis par circulation d’azote à 80 K (-193,15 °C).
Cryostat et éléments du tokamak ITER
Système magnétique
— Ensemble d’éléments utilisés pour contenir et contrôler le plasma à l’intérieur d’une enceinte à vide. Il s’agit d’un ensemble de 48 éléments :
- Les bobines de champ toroïdal — situées à l’extérieur de la chambre à vide et à l’intérieur du cryostat. Au nombre de 18, elles mesurent chacune 15 x 9 m et pèsent environ 300 tonnes. Ensemble, ces bobines génèrent un champ magnétique de 11,8 teslas autour du tore de plasma et stockent 41 GJ d’énergie.
- Les bobines de champ poloïdal — sont situées au-dessus des bobines de champ toroïdal et à l’intérieur du cryostat. Ces bobines sont responsables de la formation d’un champ magnétique séparant la masse de plasma des parois de la chambre et comprimant le plasma pour le chauffage adiabatique. Le nombre de ces bobines est de 6. Deux des bobines ont un diamètre de 24 m et une masse de 400 tonnes. Les quatre autres sont un peu plus petites.
- Le solénoïde central est situé dans la partie intérieure de la chambre toroïdale, ou plutôt dans le «trou du bagel». Son principe de fonctionnement est similaire à celui d’un transformateur et sa tâche principale est d’exciter un courant inductif dans le plasma.
- Les bobines de correction sont situées à l’intérieur de l’enceinte à vide, entre la couverture et la paroi de la chambre. Leur tâche consiste à préserver la forme du plasma, qui peut localement «gonfler» et même toucher les parois de l’enceinte. Cela permet de réduire le niveau d’interaction des parois de la chambre avec le plasma, et donc le niveau de sa contamination, ainsi que l’usure de la chambre elle-même.
Différents aimants dans la conception du tokamak
Structure du complexe ITER
La structure du tokamak décrite ci-dessus «en bref» est un mécanisme complexe et innovant assemblé grâce aux efforts de plusieurs pays. Cependant, son fonctionnement à part entière nécessite tout un ensemble de bâtiments situés à proximité du tokamak. Ces bâtiments sont les suivants
- Le CODAC (Control, Data Access and Communication). Il est situé dans plusieurs bâtiments du complexe ITER.
- Stockage du combustible et système d’alimentation en combustible — utilisé pour acheminer le combustible vers le tokamak.
- Système de vide — Il se compose de plus de 400 pompes à vide dont la tâche est d’évacuer les produits de la réaction de fusion et divers contaminants de la chambre à vide.
- Système cryogénique — représenté par un circuit d’azote et d’hélium. Le circuit d’hélium normalise la température du tokamak, dont le fonctionnement (et donc la température) n’est pas continu mais pulsé. Le circuit d’azote refroidira les boucliers thermiques des cryostats et le circuit d’hélium lui-même. Il y aura également un système de refroidissement à l’eau, destiné à abaisser la température des parois de la couverture.
- Alimentation électrique. Le tokamak aura besoin d’environ 110 MW d’énergie pour fonctionner en continu. À cette fin, des lignes électriques d’un kilomètre de long seront installées et raccordées au réseau industriel français. Il convient de rappeler que l’installation expérimentale ITER n’assure pas la production d’énergie, mais travaille uniquement dans un but scientifique.
Éléments du complexe ITER
Financement d’ITER
Le réacteur thermonucléaire international ITER est une entreprise assez coûteuse, initialement estimée à 12 milliards de dollars, dont 1/11e pour la Russie, les États-Unis, la Corée, la Chine et l’Inde, 2/11e pour le Japon et 4/11e pour l’Union européenne. Ce montant a ensuite été porté à 15 milliards de dollars. Il est à noter que le financement se fait par la fourniture d’équipements nécessaires au complexe, qui sont développés dans chacun des pays. Ainsi, la Russie fournit des couvertures, des dispositifs de chauffage du plasma et des aimants supraconducteurs.
Composants du tokamak et pays de production
Perspectives du projet
Le complexe ITER est actuellement en cours de construction et tous les composants nécessaires au tokamak sont produits. Après la mise en service du tokamak, prévue pour 2025, un certain nombre d’expériences seront menées, dont les résultats permettront de mettre en évidence les aspects qui doivent être améliorés. Après la mise en service réussie d’ITER, une centrale de fusion appelée DEMO (DEMOnstration Power Plant) est prévue. L’objectif de DEMo est de démontrer l'»attrait commercial» de l’énergie de fusion. Alors qu’ITER n’est capable de produire que 500 MW d’énergie, DEMO permettra la production continue de 2 GW d’énergie.
Il convient toutefois de garder à l’esprit que l’installation expérimentale ITER ne produira pas d’énergie et que son objectif est d’obtenir des avantages purement scientifiques. Et comme nous le savons, telle ou telle expérience physique peut non seulement répondre aux attentes, mais aussi apporter de nouvelles connaissances et expériences à l’humanité.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023