La plupart des physiciens nucléaires sont convaincus que l’énergie de fusion est l’avenir. En effet, cette technologie présente de nombreux avantages :
- Un approvisionnement inépuisable en combustible, l’hydrogène étant le combustible de prédilection.
- L’absence de monopole sur les combustibles, car l’hydrogène peut être extrait en traitant l’eau de mer, qui est largement disponible dans la plupart des pays.
- Probabilité extrêmement faible d’une explosion accidentelle pendant le fonctionnement du réacteur de fusion. Les chercheurs estiment que les émissions radioactives d’une explosion accidentelle ne présenteraient pas de danger pour le public.
- Un réacteur de fusion ne produit pas de produits de combustion et les déchets radioactifs ont une demi-vie beaucoup plus courte que les réacteurs nucléaires.
- Le fonctionnement d’un réacteur de fusion ne nécessite pas de matériaux susceptibles d’être utilisés pour la fabrication d’armes nucléaires.
Table des matières
Matériaux par thème
Pour les raisons susmentionnées, le développement de tels réacteurs de fusion, ainsi que la construction et l’essai d’installations expérimentales pour la fusion contrôlée, sont en cours dans différentes parties du monde. On distingue deux types de conception de ces centrales :
- Les systèmes quasi-stationnaires. Ce type d’installation chauffe et confine le plasma au moyen d’un champ magnétique puissant, dans des conditions de haute température et de basse pression. Les systèmes quasi-stationnaires comprennent des installations bien connues telles que les tokamaks et les stellateurs.
- Systèmes pulsés. La fusion thermonucléaire contrôlée est réalisée dans ces installations en chauffant le combustible composé de deutérium et de tritium au moyen d’un laser ou d’un faisceau de particules à haute énergie. Le système est appelé système pulsé car le processus consiste en une série de micro-éclairs thermonucléaires.
Stellarator et tokamak
Le nom «stellarator» vient du latin stella — étoile, car sa tâche est de réaliser un processus qui se produit également dans les étoiles : la fusion thermonucléaire. L’unité est un piège magnétique fermé capable de contenir un plasma fortement chauffé. Le piège d’une telle installation a la forme d’un tore, à l’intérieur et à l’extérieur duquel se trouvent des équipements auxiliaires.
Comparaison des conceptions du tokamak (à gauche) et du stellarator (à droite)
Contrairement à la conception bien connue du tokamak, les bobines magnétiques du stellarator, qui empêchent le plasma d’interagir avec les parois, se trouvent uniquement à l’extérieur. Le champ magnétique est donc créé par des courants qui circulent à l’extérieur du volume de plasma. La conception du tokamak est telle que le plasma n’est retenu que lorsque la puissance des bobines augmente, et comme il y a toujours une limite technique aux possibilités, la rétention du plasma dans le tokamak ne dure que quelques secondes. Plus la température du plasma augmente, plus son instabilité s’accroît, ce qui nécessite une technologie plus avancée. Cette instabilité et des bobines plus puissantes rendent le projet si coûteux que plusieurs pays se sont associés pour travailler sur un tokomak — ITER — afin de le réaliser.
Dans le cas du stellarator, le mécanisme de confinement du plasma repose sur une géométrie spéciale qui permet aux particules de plasma de dériver autour de la chambre toroïdale, ce qui ne nécessite pas des bobines aussi puissantes et augmente le temps de confinement du plasma. Le stellarator le plus connu est le stellarator allemand Wendelstein 7-X (W7-X). Étant donné que la conception, et en particulier la géométrie, des stellarators a été constamment modifiée et améliorée, nous examinerons plus en détail le principe de fonctionnement et les caractéristiques de conception sur la base du dernier modèle — le W7-X.
Stellarator Wendelstein 7-X
Conception du stellarator
Chambre toroïdale
L’élément principal du stellarator Wendelstein 7-X est une chambre toroïdale d’un diamètre extérieur de 11 mètres. La chambre se compose de 20 sections dont la forme particulière correspond à un anneau torsadé. Plus de 250 orifices permettent d’observer et de chauffer le plasma. Un nombre similaire d’orifices bien isolés passe entre les bobines froides qui relient ces ouvertures à la paroi extérieure du cryostat.
La chambre toroïdale W7-X vue de l’intérieur
Bobines
La chambre est entourée d’une couronne de 50 bobines magnétiques supraconductrices en niobium-titane d’environ 3,5 mètres de haut. Les bobines sont refroidies par de l’hélium liquide, dont la température est proche du zéro absolu ; une fois allumées, elles ne nécessitent pratiquement pas d’énergie. Leurs formes bizarres sont le résultat de calculs d’optimisation : les bobines doivent créer une cage magnétique particulièrement stable et isolante pour le plasma.
Un deuxième jeu de 20 bobines supraconductrices plates et similaires est superposé aux bobines du stellarator. Ce deuxième jeu de bobines est nécessaire pour reconfigurer le champ magnétique. Une structure de support circulaire massive maintient les bobines dans une position précise malgré les forces magnétiques élevées.
Conception du stellarator Wendelstein 7-X
Géométrie de l’installation
Jusqu’au début du 21e siècle, les configurations de champ magnétique générées dans les chambres stellaires étaient similaires. L’installation la plus connue de ce type était le Torsatron soviétique. Le temps de rétention du plasma dans un tel dispositif s’est avéré en pratique bien inférieur aux estimations théoriques. Cependant, grâce à l’émergence de la modélisation informatique, les scientifiques ont pu calculer une géométrie plus pratique du stellarator, qui a été utilisée pour la construction de Wendelstein 7-X.
Topologie du stellarator Wendelstein 7-X. Les bobines planes (plates) sont indiquées en brun, les bobines non planes en gris. Quatre des cinq bobines du filtre extérieur sont représentées en jaune, la cinquième bobine devant être placée au-dessus.
Cryostat
L’ensemble de la chambre de la bobine est entouré d’une enveloppe isolante de 16 mètres de diamètre appelée «cryostat». Une unité de réfrigération spéciale de 5000 W alimente le cryostat en hélium pour refroidir les aimants et leur structure de support. L’usine fournit ainsi 425 tonnes de matériaux portés à une température de supraconductivité de 4 K o u-269,15 °C.
Les différentes couches de la structure du stellarator
Comment fonctionne le stellarator ?
Le 3 février 2016, après dix ans de travaux de construction et plus d’un million d’heures de montage, l’exploitation expérimentale de Wendelstein 7-X a commencé, et le premier plasma d’hélium a été produit à l’aide de ce stellarator.
Sur simple pression d’un bouton par la chancelière fédérale Angela Merkel, le système a introduit environ un milligramme de substance gazeuse dans la chambre, à savoir les isotopes d’hydrogène que sont le deutérium et le tritium.
Le deutérium réagit avec le tritium, produisant de l’hélium 4 et un neutron avec libération d’énergie
L’air a été préalablement pompé hors de la chambre toroïdale. Le chauffage ultérieur de la substance a été effectué par trois méthodes :
- Le principal outil de chauffage de W7-X est le micro-ondes — ECRH (Electron Cyclotron Resonance Heating), qui se compose d’une douzaine de gyrotrons — de puissantes sources de rayonnement micro-ondes. Ce rayonnement est dirigé vers une substance et la chauffe.
- Laser à particules neutres NBI (Neutral Beam Injection Heating). Cet outil envoie des particules neutres de haute énergie dans la chambre, qui bombardent le combustible et lui transfèrent ainsi leur énergie, ce qui chauffe le combustible.
- Chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH). En fonction de la géométrie et des conditions de démarrage, un rayonnement électromagnétique d’une certaine fréquence (environ plusieurs dizaines de MHz — la plage du «mouvement cyclotronique ionique») peut être absorbé par le plasma et le chauffer.
Ainsi, en chauffant la matière à une température de plus d’un million de degrés Celsius, une réaction thermonucléaire s’est produite. Au cours de cette réaction, les atomes de deutérium et de tritium sont entrés en collision avec une telle force que de l’hélium 4 et des neutrons libres ont été produits avec une forte libération d’énergie. Toute la matière dérive autour de la chambre toroïdale et y est maintenue, sans entrer en contact avec les parois, par des aimants. Le plasma formé est ensuite observé à l’aide d’un certain nombre d’autres instruments.
Photo du premier plasma d’hydrogène W7-X
Observation du plasma
L’observation de la matière chauffée se fera selon plusieurs méthodes :
- En utilisant des interféromètres qui mesureront les densités moyennes d’électrons dans l’installation.
- Les sondes de Langmuir — permettront de mesurer la densité électronique et la température dans les couches les plus externes de l’anneau de plasma. Une telle sonde est un conducteur électrique dont l’une des extrémités est située dans le plasma et interagit avec les particules chargées. L’avantage de la sonde est la méthode de contact, qui permet de déterminer localement les paramètres du plasma. Cependant, l’inconvénient est la perturbation du plasma, c’est pourquoi elles ne sont utilisées que pour mesurer les couches extérieures du plasma.
- Diagnostic par émission de cyclotron électronique. La compréhension de cette méthode nécessite des connaissances spécialisées. Pour résumer, ce diagnostic consiste à mesurer l’émission d’électrons se déplaçant de manière cyclique dans la chambre.
- Caméras vidéo et infrarouge — elles mesurent les paramètres des couches extérieures du plasma et l’échauffement des composants.
Cependant, la mesure des paramètres de la surface d’écoulement est apparue avant la production du premier plasma. À l’avenir, de nouveaux moyens de mesure des paramètres du plasma seront introduits dans l’expérience, notamment divers spectromètres, bolomètres, réflectomètres et autres.
Stellarator Wendelstein 7-X
Résultats des travaux du W7-X et perspectives d’avenir
Le premier plasma d’hydrogène produit à W7-X en 2016 a existé pendant un quart de seconde et a atteint une température de 80 millions de degrés Celsius. L’optimisation ultérieure de l’installation et de sa conception devrait permettre aux scientifiques, d’ici 2020, de maintenir le plasma pendant 30 minutes et d’effectuer des recherches grâce à un chauffage de 10 mégawatts. Cette expérience permettra d’évaluer la faisabilité et la rentabilité de la production d’énergie par réaction thermonucléaire contrôlée dans les stellarators.
Date de publication: 12-22-2023
Mettre à jour la date: 12-22-2023