Mise à jour : 7 Juin 2006

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Sommaire de ce numéro : SPÉCIAL ITER ET FUSION NUCLÉAIRE

CR de la conférence "ITER la fusion thermonucléaire en question à l'IAP le 6 Juin 2006 (07/06/2006)

Spécial ITER : Quelques infos sur la fusion et sur le projet ITER (07/06/2006)

L'énergie nucléaire

La fusion nucléaire expliquée simplement

Comment peut on réaliser une fusion sur Terre

Historique du projet ITER

La construction de ITER

Pour aller plus loin sur ITER et la fusion.

SPECIAL ITER : QUELQUES INFOS. (07/06/2006)

L'ÉNERGIE NUCLÉAIRE.

L'énergie nucléaire peut être libérée de deux façons différentes:

· En cassant les noyaux lourds, c'est la Fission (Réacteurs nucléaires, bombe A).

· En agglutinant ensemble des noyaux légers, c'est la Fusion. (bombe H, pas encore de réacteurs opérationnels), la fusion est l'énergie des étoiles.

Cette énergie délivrée est énorme, elle correspond à la célèbre formule d'Einstein

Elle relie masse et énergie.

Mais les énergies dont nous parlons sont immensément…petites, de nouvelles unités doivent être définies en conséquence. C’est l’électron volt : énergie acquise par un électron sous une tension de 1 volt, d’accord, cela ne vous dit pas grand chose certainement.

En unités plus courantes , le Joule (J), (vous connaissez 1 Joule = 0,24 cal, pas les calories de la diététique celles là par abus de langage on les appellent calories mais ce sont en fait des Kilo calories)

on a 1 ev = 1,6 10^-19 J

Unité encore petite on utilise ses multiples
         kev = 10³ ev
         Mev = 10⁶ ev
         Gev = 10⁹ ev
         Tev = 10¹² ev

Un exemple pour vous montrer la petitesse de ces unités:

Une lampe de 100W qui brûle pendant 1heure correspond à une énergie de: 360.000J soit 2,2 10²⁴ ev !!!!!!!

Donc même quand on parle de Mev (Mega ev) c’est tout petit!

Revenons à l'énergie nucléaire,

Si on convertit l’énergie apportée par la fission d’UN seul atome d’Uranium 235 par exemple on trouve de l’ordre de 200Mev

Il y a 6,023 10²³ atomes dans une molécule de base de chaque corps (une mole) (nombre d’Avogadro!)

Donc il y a 6,023 10²³ atomes dans 235g d’U soit une énergie libérée de approx 8 10¹⁰ J/g d’U, énergie consommée par une maison en 1 mois!!!!

C'est pour cette raison qu'il est difficile de battre en rendement l'énergie nucléaire!

La fusion est encore plus prometteuse au point de vue rendement mais n'a pas encore été parfaitement maîtrisée sur Terre, c'est le rôle d'ITER d'y arriver.

LA FUSION NUCLÉAIRE EXPLIQUÉE SIMPLEMENT

Notre étoile le Soleil est un immense réacteur nucléaire, examinons comment son énergie est produite.

Le soleil produit son énorme énergie au cours d'une réaction de fusion nucléaire qui se déroule en trois étapes.

Elles impliquent toutes l'Hydrogène (en fait son noyau uniquement : le proton) et ses isotopes (isotope = même corps chimique mais avec plus ou moins de neutrons, donc stable ou instable suivant les cas).

Première étape : les noyaux de H et H fusionnent pour donne du Deutérium D (constituant de l'eau lourde).

Deuxième étape : D et H fusionnent pour donner un nouveau corps, l'Hélium 3 (He3).

Troisième étape : He3 et He3 fusionnent pour donner de l'Hélium 4 stable en libérant aussi deux noyaux d'Hydrogène (protons)

Au cours de ces réactions nucléaires des quantités énormes d'énergie sont libérées sous forme de gamma (E=mc2).

Ces trois étapes se résument en fait plus simplement à celle ci :

4 protons vont fusionner pour donner naissance à de l'He4 et à de l'énergie.

C'est ce que l'on appelle la chaîne p-p de fusion.

Notre Soleil transforme 600 millions de tonnes d'H par seconde!!!

On dit que l'on va produire avec ITER la même réaction que dans le Soleil, ce n'est pas complètement exacte, car les réactions précédentes et surtout la première étape, ont une probabilité très faible (deux p devraient attendre 8 milliards d'années avant de fusionner!), uniquement compensée au niveau des étoiles par l'énorme quantité d'Hydrogène (dans le Soleil 10²⁴ tonnes de p) à disposition; elle n'est pas praticable sur Terre.

On s'en aperçoit en consultant la courbe de probabilité des réactions nucléaires (la réactivité) qui représente en fait le "rendement" d'une telle réaction. Plus haut est la valeur plus intéressante est la réaction.

(courbe : Iter.org)

On voit que c'est la réaction de fusion du Deutérium avec le Tritium qui a la meilleure valeur vers 100 millions de degrés.

La réaction p-p au niveau du Soleil est tellement faible qu'elle n'est même pas sur cette courbe.

Voici donc les noyaux qui ont plus de chances de fusionner avec un meilleur rendement; c'est le Deutérium (D ou H2) et le Tritium (T ou H3) tous deux isotopes de l'Hydrogène.

Voici la réaction donnant naissance à cette fusion.

La différence de masse entre avant et après la fusion nous donne l'énergie grâce à la célèbre formule d'Albert.

Tout cela c'est bien sur le papier, mais dans la pratique comment faire?

COMMENT PEUT ON RÉALISER UNE FUSION SUR TERRE?

Pas simple, comme pour tout phénomène où l'on veut faire se choquer des particules ou des atomes qui ont tendance à se repousser (les noyaux sont + et comme tout le monde sait + et + se repoussent; il faut vaincre cette force de répulsion énorme), il faut les lancer les uns contre les autres, c'est à dire les accélérer comme dans un accélérateur de particules.

On ne peut pas les accélérer sans les chauffer à des températures de l'ordre d'une centaine de millions de degrés, ces particules deviennent un "plasma", quatrième état de la matière.

Le Soleil n'est qu'une boule de plasma, et vous en avez aussi chez vous des plasmas dans les tubes fluorescents!

Il faut maintenant trouver du Deutérium et du Tritium, pour le Deutérium c'est facile, il y en a plein dans l'eau de mer (1 atome de T pour 6000H), il faut l'extraire.

Pour le Tritium élément extrêmement rare : 1 atome pour 10¹⁷ atomes de H!!! De plus il est radioactif et a pour période 12 ans, donc on ne peut pas le stocker longtemps, il faut donc le fabriquer artificiellement à partir du Lithium (très abondant) dans un réacteur nucléaire, par activation neutronique selon la réaction :

⁶₃Li + ¹n à ⁴₂He + ³₁T

Le principe étant maintenant clarifié, quel est le principe de réalisation de cette fusion.

Comment créé ce plasma?

De plus ce plasma chaud est chargé il ne peut donc pas être confiné contre des parois, il ne peut circuler que grâce à un champ magnétique.

La meilleure façon c'est un Tokamak!!! Voici la définition de Wikipedia :

Un tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à contrôler un plasma nécessaire à la production d'énergie par fusion nucléaire.

Ce terme vient du russe « toroidalnaja kamera magnetnaja katuska » (en français : chambre toroïdale à confinement magnétique).

Le but du Tokamak est de confiner (piéger) un plasma chaud (très chaud même) dans un champ magnétique le plus longtemps possible.

Donc il faut comme dans les grands accélérateurs faire tourner : le tokamak sera circulaire ou plutôt torique.

Bien entendu dans le vide le plus parfait pour que le plasma ne rencontre pas d'autres molécules.

Deux champs sont principalement mis en œuvre :

· Un champ magnétique vertical qui fait tourner le plasma horizontalement (rappelez vous vos cours de Terminale avec la célèbre formule FBI des trois doigts…ah ! que de souvenirs!)

· Un champ magnétique circulaire dans le tore par des bobines toriques afin de confiner le plasma.

Le plasma doit être à des températures extrêmes (100 millions de degrés), cela est obtenu de plusieurs façons :

· Ohmique : c'est le courant électrique même qui circule dans le plasma (effet Joule, permet d'atteindre seulement 10 millions de degrés)

· Injection de particules très rapides (D par exemple) préalablement accélérés dans la chambre à vide, ils augmentent l'agitation thermique de l'ensemble.

· Des ondes haute fréquence émises dans la chambre peuvent communiquer leur énergie aus électrons du plasma.

· Une fois la fusion enclenchée, celle ci produit aussi de la chaleur qui entretient la température.

· La chaleur est utilisée pour produire de la vapeur et alimenter un ensemble classique turbine et alternateur producteur d'électricité

Le Tokamak est une vieille idée (année 1960) développée par nos amis Russes puis par beaucoup de nations.

L'Europe notamment met au point le JET (Joint European Torus) construit en Angleterre.

Toutes ces expériences accumulées au cours du temps seront utiles pour développer ITER.

HISTORIQUE DU PROJET .ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

Mais cela veut aussi dire la Voie en latin.

Un petit historique du projet : (sur le site d'ITER.gouv)

Lors du Sommet de Genève en Novembre 1985, l'Union soviétique propose de construire la prochaine génération de Tokamak sur la base d'une collaboration intégrant les quatre partenaires majeurs du programme "fusion".
En octobre 1986, les États-Unis, l'Europe et le Japon répondent favorablement à cette proposition.

Le projet ITER est né et il regroupe sous les auspices de l'Agence Internationale de l'Énergie Atomique (AIEA) quatre participants : les USA , le Japon, la Russie et l'Europe (à laquelle est associée le Canada).

ITER est donc la première installation expérimentale conçue via une collaboration scientifique à l'échelle planétaire. La première phase d'études appelée CDA (Conceptuel Design Activities) a démarré en avril 1988 et s'est achevée en décembre 1990.

La première phase de l'ingénierie détaillée (Engineering Design Activity - EDA - ) s'est achevée fin 1998. A cette date, et pour des raisons internes, les USA se sont retirés du projet. Les trois autres partenaires orientent alors leurs efforts vers la conception d'une installation ayant un coût et des objectifs réduits. La phase d'ingénierie détaillée de cette nouvelle version s'est achevée en juillet 2001.

La phase suivante, ou phase de coordination des activités techniques (Co-ordinated Technical Activities - CTA), s'est achevée fin 2002. Elle avait pour objectifs de maintenir l'intégrité du projet, de préparer les procédures nécessaires pour la construction et l'exploitation en commun d'ITER, et de fournir un support technique aux représentants des partenaires chargés des négociations sur le site.

Ces négociations quadripartites entre le Canada, l'Europe, le Japon et la Fédération de Russie vont déboucher sur la sélection d'un site mais aussi sur la définition des conditions de financement de la construction et sur les contours juridiques de la future entité légale qui aura en charge la réalisation et l'exploitation d'ITER.

Les États-Unis et la Chine ont rejoint les négociations en janvier 2003.

En juin 2005 : le ministre délégué à l’enseignement supérieur et à la recherche, salue la décision prise à Moscou par le commissaire européen à la recherche et les ministres chinois, japonais, russe, coréen et américain de démarrer le programme ITER.

Le choix de Cadarache pour construire le réacteur de recherche ITER est le fruit d’une mobilisation européenne solide, active, permanente. L’unanimité du soutien des Etats membres pour l’implantation d’ITER à Cadarache a été décisive.

Le choix de Cadarache, c’est aussi le résultat d’un engagement très fort de l’Etat au plan national et au niveau déconcentré. François Goulard rend hommage à l’action de ses prédécesseurs, Claudie Haigneré et François d’Aubert, en faveur d’ITER. Il félicite les équipes du Commissariat à l’énergie atomique qui ont travaillé avec ardeur et compétence.

Il remercie les collectivités territoriales de la région Provence Alpes Côte d’Azur qui ont non seulement voté une participation financière de 447 M€ pour ITER, traduisant ainsi un engagement exceptionnel, mais aussi pour leur capacité à mobiliser les forces vives de cette région en faveur d’un projet exceptionnel, tant par ses objectifs que par les moyens nécessaires à son succès.

Cet ambitieux programme de recherche, ne se fera qu'au prix d'un budget colossal : près de 10 milliards d'€ étalés sur 40 ans, dont 4,5 milliards pour sa construction et 5 milliards pour son exploitation

Le but scientifique de la construction d'ITER est d'étudier (c'est un réacteur expérimental, un démonstrateur comme on dit) le plasma dans ces conditions extrêmes de températures, de mettre au point les différentes technologies et de fournir une énergie de l'ordre de 500MW à rendement positif(on fabrique plus d'énergie que ce que l'on consomme, ce qui est quand même la finalité d'une centrale!!) pendant une période de temps longue.

Les essais actuels avec les Tokamaks sont à rendement négatif (pour fabriquer 10MW il faut en fournir 100!!) et de durée limitée.

LA CONSTRUCTION DE ITER.

La construction va se dérouler sur une dizaine d'années, la première pierre est prévue pour 2008 et la fin de construction vers 2016.

Le planning de construction apparaît dans ce document pdf d'une page.

Voici une vue du site tel qu'il est prévu d'être construit et tel qu'il s'intégrerait dans la nature.


Voici le plan du Tokamak devant constituer la plus grande partie d'ITER.	Vue de la réalisation d'un des éléments d'une bobine magnétique toroïdale.

Le grand rayon du tore est de 6,20m et le volume du plasma de 800m3.

Les durées de vie du plasma à pleine puissance sont prévues de l'ordre de 400 secondes.

Bon travail à tous!

POUR ALLER PLUS LOIN.

Le site officiel de ITER.

Dont une page entière de présentations à télécharger soit en PPT soit en pdf.

Film vidéo animation sur le principe de ITER il fait 134MB

(vous aurez besoin de Quicktime avec 3ivx codec )

PS : si vous avez comme des problèmes avec les codecs pour visionner certaines vidéos, et si vous n'y comprenez plus rien, allez sur ce site télécharger tous les codecs, et ça marche.

Vue aérienne et tokamak (animation) 45MB

Vidéo de promo sur Cadarache 21 MB.

Dossier sur la fusion contrôlée au CEA, très bien fait à voir absolument.

Dont ce dossier sur le Soleil et ITER, voir aussi les animations.

Voir aussi le dossier de presse de ITER à Cadarache en format pdf.

Encyclopédie Wikipedia sur ITER en français.

Encyclopédie Wikipedia sur la fusion nucléaire en français.

Nos amis de Futura Sciences ont un dossier très complet sur le sujet que je vous conseille d'aller consulter.

Un dossier très clair aussi sur la fusion en français par Claude Boucher.

Le projet ITER par le groupe Energethique (des anciens du CEA) toutes les explications techniques.

Un article récent du Figaro sur ITER à Cadarache.

La controverse sur ITER, ceux qui sont contre.

Article pdf de 12 pages en anglais de Jean Jacquinot su "Steady-State Operation of Tokamaks: Key Physics and Technology Developments on Tore Supra et la présentation correspondante de 18 pages pdf.

Voir le compte rendu de la conférence de Jean Jacquinot à l'IAP le 6 Juin 2006 sur ITER.

C'est tout pour aujourd'hui!!

Bon ciel à tous!

JEAN PIERRE MARTIN

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