L' Énergie bleue

Histoire de la fusion nucléaire

Guy Laval

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2007
• Imprimer l'ISBN: 9782738119711
• ISBN de l'eBook: 9782738191373
• Sujet: Sciences physiques
• Sujet: Énergie

La France a gagné la bataille d'Iter. Elle aura le premier réacteur de fusion nucléaire. Aura-t-elle maîtrisé l'énergie des étoiles ?Dans ce livre, Guy Laval nous explique ce qu'est la fusion nucléaire. Comment elle est l'application d'une nouvelle branche de la physique, la théorie des plasmas. Et comment les plasmas sont un état primitif de la matière où prédominent les forces électromagnétiques. Il décrit les difficultés considérables, théoriques et pratiques, qu'il a fallu surmonter pour arriver à ce réacteur expérimental. Et celles, non moins redoutables, qu'il faudra résoudre avant que nous sachions transformer les composants de l'eau en source d'énergie. Guy Laval, physicien, directeur de recherches émérite au CNRS, est membre de l'Académie des sciences.

Annexe 1

Schéma et paramètres
 de la machine ITER

Schéma d’ITER.

1. Une des 18 bobines supraconductrices qui forment le solénoïde torique entourant le tore de plasma chaud (3) et générant le champ magnétique principal de 5,3 teslas dans le plasma.

2. Le solénoïde central qui produit un flux magnétique variable et induit, dans le plasma, un courant de 15 à 18 millions d’ampères (4), dont le champ magnétique s’ajoute au champ des bobines pour réaliser la configuration magnétique du tokamak.

3. Les actions conjuguées des bobines et du courant provoquent l’enroulement des lignes de champ (5) autour du tore de plasma, comme les fils toronnés d’un câble.

4. Le cordon torique de plasma (837 m³), porté à des températures comprises entre 100 et 200 millions de degrés, est contenu dans une enceinte à vide. La température sera maintenue par injection de rayonnements et de particules accélérées (jusqu’à 50 MW) et par l’interaction des particules alpha avec le plasma (100 MW). L’hélium 4 produit doit être évacué pour éviter la dilution du combustible. La diffusion conduira les particules vers la paroi de l’enceinte mais, avant qu’elles ne l’atteignent, le champ magnétique les guidera vers un collecteur situé dans la partie inférieure du volume, le divertor, où les particules perdront leur énergie sur des plaques métalliques. Elles s’y neutraliseront et seront pompées en dehors de la machine.

5. Le reste de l’énergie de fusion (400 MW) s’échappera sous forme de neutrons de 14 MeV, qui seront ralentis et absorbés dans les éléments de la couverture (45 centimètres d’épaisseur) qui tapissent la paroi de l’enceinte. Leur énergie sera évacuée par une circulation d’eau qui assure le refroidissement. Quelques modules de couverture tritigène, contenant du lithium 6, seront mis à l’essai. Dans Iter, cette couverture protège la chambre à vide et les aimants. L’ensemble est contenu dans un grand cryostat de 28 mètres de diamètre et de 25 mètres de hauteur.

Annexe 2

Le laser mégajoule (LMJ)

Schéma du principe d’une chaîne laser du LMJ

1. Oscillateur délivrant l’impulsion de lumière dans l’infrarouge (1 μm) avec les profils temporel, spatial et spectral nécessaires à un niveau d’énergie inférieur au joule.

2. Amplificateur multipliant l’énergie de l’impulsion par 20 000.

3. Cristal tripleur de fréquence transformant 18 kilojoules dans l’infrarouge (5) en 7,5 kilojoules de lumière UV (6).

4. Dispositif optique focalisant la lumière sur la cible.

5. Faisceau de lumière infrarouge.

6. Faisceau de lumière ultraviolette.

Schéma du principe du LMJ.

Le LMJ comprend 200 chaînes environ, réparties dans deux bâtiments de part et d’autre du hall d’expérience qui contient la chambre d’expérience, une sphère de 10 mètres de diamètre. Au centre de cette chambre, dans un très bon vide, la cible est irradiée par les faisceaux focalisés des chaînes laser. Une petite boîte en métal lourd (or ou alliage) de quelques millimètres contient la cible sphérique formée d’une coquille de deutérium et de tritium solide à l’intérieur d’une enveloppe de plastique. Les faisceaux pénètrent par des ouvertures dans la boîte où ils se convertissent en rayons X mous qui font imploser la cible. Ces quelques dixièmes de milligramme de combustibles devraient libérer une dizaine de méga-joules d’énergie de fusion.

Glossaire

Ablation : éjection de matière chauffée à très haute température par irradiation laser de la surface extérieure de la cible.

Actinide : voir fission.

Alpha : noyau de l’hélium 4, sorte de cendres de la combustion thermonucléaire.

Bootstrap (courant de) : courant autoexcité par la variation de la pression dans un tokamak lorsque les collisions sont assez rares pour que les particules piégées aient le temps d’osciller entre les miroirs magnétiques.

Chromodynamique : théorie quantique des interactions fortes.

Claquage : ionisation d’un gaz par un champ électrique résultant d’une multiplication du nombre d’électrons par avalanche.

Confinement magnétique : isolement thermique d’un plasma chaud à l’aide de champs magnétiques.

Confinement inertiel : assemblage très rapide d’un plasma chaud et dense sans aucun confinement ; l’inertie de la matière permet de disposer d’un court intervalle de temps avant la dislocation.

Coulombien : en rapport avec la loi de Coulomb qui définit la manière dont deux charges électriques interagissent.

Couronne solaire : écoulement de plasma issu de la surface du Soleil, visible pendant les éclipses totales.

Critère de Lawson :

conditions pour qu’un plasma soit considéré comme thermonucléaire, établies d’après les idées initiales de John Lawson.

Déchets : matière radioactive provenant des combustibles usés ou matériaux irradiés au cours du cycle du combustible.

Demo : machine qui doit succéder à Iter en fonctionnant comme un réacteur électrogène mais sans être asservi à des contraintes commerciales.

Deutérium : isotope non radioactif de l’hydrogène (même structure électronique et mêmes propriétés chimiques, mais deux fois plus lourd, d’où son nom d’hydrogène lourd, se combinant à l’oxygène pour donner de l’eau lourde) dont le noyau est formé d’un neutron et d’un proton.

Deuton : noyau de deutérium.

Défaut de masse : différence entre la masse des nucléons dissociés et celle du noyau qu’ils composent lorsqu’ils sont liés.

Diffusion : la diffusion intervient de deux manières dans la fusion. D’une part, elle désigne le mouvement aléatoire des particules confinées par un champ magnétique sous l’effet des collisions ou des instabilités. D’autre part, elle désigne la fraction de la lumière qui est déviée de sa propagation normale en ligne droite en rencontrant des particules ou des irrégularités de densité.

Disruption : interruption du courant circulant dans le plasma d’un tokamak, lié à une instabilité magnétohydrodynamique.

Effet Landau : amortissement d’une oscillation de plasma par la dispersion des vitesses particulaires, sans intervention de processus dissipatif augmentant l’entropie.

Effet tunnel : conséquence de la mécanique quantique qui permet à une particule de franchir une zone interdite par la mécanique classique.

Électron : particule légère chargée négativement, responsable des propriétés chimiques et du rayonnement des atomes lorsqu’il est localisé au voisinage des noyaux, portant le courant électrique s’il est dans un état libre comme dans les métaux et les plasmas.

Énergie cinétique : énergie liée à la vitesse d’un corps, proportionnelle à sa masse et au carré de sa vitesse si celle-ci reste très inférieure à celle de la lumière.

Énergie potentielle : énergie liée à la position d’un corps dans l’espace, égale au travail fourni pour amener le corps dans sa position.

Fission : la fission nucléaire désigne la fragmentation du noyau de certains éléments lourds, les actinides, en plusieurs noyaux plus légers, avec émission de particules, en particulier de neutrons, et libération d’énergie ; la fission peut être spontanée ou induite par l’absorption d’un neutron.

Force nucléaire : expression désignant les effets de l’interaction forte entre les nucléons, caractérisée par sa très courte portée (10^{– 15} m).

Force faible : expression désignant les effets de l’interaction entre particules qui permet la transformation de neutrons en protons et réciproquement, avec une portée extrêmement petite (10^{– 18} m) et une intensité très faible.

Fusion : la fusion nucléaire désigne une réaction au cours de laquelle un noyau se forme par interaction de deux noyaux plus légers que lui. La fusion d’éléments légers produit beaucoup d’énergie.

Gain : le gain théorique est le rapport entre la quantité d’énergie de fusion produite pendant le temps de confinement de l’énergie et le contenu énergétique du plasma ; le gain thermonucléaire, en confinement inertiel, est le rapport entre la quantité d’énergie de fusion produite après l’ignition et le contenu énergétique du plasma comprimé juste avant l’ignition ; le facteur d’amplification de l’énergie (souvent désigné par la lettre Q) est le rapport entre la puissance de fusion...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Préambule
• À la recherche du sens perdu
• Du côté des plasmas chauds
• Annexe 1
• Annexe 2
• Glossaire
• Remerciements
• Index