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                Quel avenir pour le nucléaire?
                                                                                                                             Le nucléaire aurait t-il un avenir durable et plus sûr ?
Principe et fonctionnement de la fusion nucléaire
(Exemple du projet ITER)
1) Principe

La fusion thermonucléaire dans les étoiles

"grâce aux températures extrêmes du soleil ou des étoiles, la fusion naturelle se produit."
La fusion est le mariage de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux plus lourds comme l'hélium, par exemple.
Elle s'accompagne d'une très forte libération d'énergie.

Cette réaction est difficile à réaliser car les forces nucléaires qui lient les nucléons n'agissent qu'à très faible distance alors que la force électrique crée une barrière répulsive qui empêche les noyaux des atomes, qui sont chargés positivement, de s'approcher assez près les uns des autres. Pour passer cette barrière, les noyaux doivent se trouver dans un état d'agitation thermique très grand. C'est le cas lorsqu'ils sont portés à très hautes températures.

La fusion existe naturellement dans les environnements extrêmement chauds que sont les étoiles, comme le soleil. Il y a, au cœur du soleil, une température de l'ordre de plusieurs dizaines de millions de degrés qui permet la fusion de noyaux légers comme ceux d'hydrogène en hélium. Ces réactions de fusion thermonucléaire libèrent beaucoup d'énergie et expliquent la très haute température de cet astre qui atteint à la surface les 5700 degrés. Une très petite partie de l'énergie rayonnée par le soleil atteint la terre et permet la vie sur celle -ci. Dans des étoiles plus massives que le soleil, des températures encore plus hautes permettent la fusion de noyaux plus lourds que ceux de l'hydrogène.
2) Le tokamak

Le tokamak (acronyme russe de Toroidalnaya Kamera c Magnitnymi Katushkami) est un réacteur inventé par les russes durant la guerre froide (en 1968) pour créer une énergie durable et quasi inépuisable. C'est une installation en forme de tore. Ce réacteur fonctionne grâce à des bobines de champ toroïdal qui se trouvant autour du tokamak, permettent au plasma d'hydrogène de rester "éloigner des parois". Une bobine centrale appelée solénoïde central permet au plasma de rester éloigner de la paroi centrale, le combustible est ensuite ajouté avant qu'il soit chauffé par injection de particules ou par chauffage à haute fréquence. Les bobines poloïdales au nombre de 6 servent à stabiliser le plasma dans le tokamak, le plasma en train de chauffer dégage de l'énergie qui sera captée et utilisée.

La fusion sur terre

''un défi pour l'homme: parvenir un jour à maîtriser l'énergie exceptionnelle qui se dégage de la fusion.''
L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion pour récupérer cette fabuleuse énergie. Il a réussi à maîtriser celle -ci dans les bombes nucléaires de type H mais pas encore pour produire de l'électricité. Pour une application civile de la fusion, la réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium qui fusionnent pour créer un noyau plus lourd, celui de l'hélium. Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux et pour augmenter la probabilité qu'ils se rencontrent, l'homme se heurte à de nombreuses difficultés techniques.

La méthode consiste en:
Tout d'abord, la fusion se fait avec des atomes isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium qui fusionnent pour former un atome d’hélium et un neutron « énergétique ». C'est lui qui produira la majorité de l’énergie. Cependant, une des difficultés techniques réside dans le fait que le deutérium et le tritium ont tous les deux des charges positives, de ce fait, ils se repoussent.
Alors, il faut parvenir à rapprocher les deux atomes de manière à ce qu'ils soient très proche, c'est-à-dire à une distance de 10-15  mètres. Pour cela, on les fait chauffer pour leur procurer une très grande vitesse, leur température avoisinera les 150 millions de degrés. La température est si élevée que la matière forme un plasma (gaz ionisé neutre et fortement conducteur) si chaud qu’aucun matériau ne peut résister à une telle chaleur. Un champ magnétique diffusé par différentes bobines se charge  de conserver le deutérium et le tritium éloignés des parois.

Le champ magnétique permet aussi aux neutrons énergétiques et à l’hélium, qui sont électriquement neutres, de toucher les parois pour leur communiquer l’énergie sous forme de chaleur, qui est ensuite transportée vers de l’eau. Ce premier circuit chauffe un autre circuit et grâce à la vapeur produite, cette eau actionnera ensuite les turbines qui produiront l’électricité comme dans un circuit classique avec un réacteur à fusion. Quand à ITER, le but est de faire fusionner 1 gramme des gaz de deutérium et de tritium. Tout cela pour faire des tests, il n'y aura donc aucune production d'énergie.

Voici une annimation ( provenant du site de la CEA) qui présente le principe de la réaction de fusion
<--- Appuyez sur le bouton "SUIVANT" en bas à droite de la vidéo pour continuer l'annimation.
  • système de diagnostic:

Le plasma sera étudié, mesuré et observé à l'aide d'une cinquantaine de systèmes de diagnostics de hautes technologies. Afin de mieux contrôler, optimiser et comprendre le comportement du plasma.

ITER est le réacteur qui peut battre tous les records. Il a plusieurs objectifs : atteindre 500MW de puissance, avoir 1000s de fonctionnement (16 minutes 40 secondes) et atteindre Q=10.

Cependant, ITER, à la différence des autres réacteurs, se donne de réels moyens pour atteindre ses objectifs. La chambre de fusion sera 3 à 5 fois plus grande que les réacteurs d’aujourd’hui. Son coût est estimé à environ 10 milliards d’euros. Mais d'après les dernières informations, son coût aurait passé la barre des 13 milliards d'euros. D'ailleurs, le financement ne se fait pas en euros mais en monnaie ITER, pour qu'il n'y ait pas de problème de financement entre les pays.

Les pays les plus avancés dans le domaine de la fusion nucléaire se sont réunis, en terme de financement et de savoir faire, pour construire ITER. La Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l’Europe (Euratom), l’Inde, le Japon et la Russie financent et contribuent à la réalisation d’ITER qui sera désormais installé et construit à Cadarache en France.
ITER est donc un projet international et non un projet français. La construction d’ITER commencera début 2008 et se terminera vers 2015. Mais il aurait dû se terminer en 2012 car le projet a pris du retard.
Voici les différents composants du Tokamak
  • chauffage externe:

Pour que la réaction s'amorce, le plasma devra atteindre une température de 150 millions de degrés. ITER utilisera deux moyens de chauffages.

Tout d'abord, avec injection de particules neutres (des injecteurs « tirent » dans le plasma des particules électriquement neutres et très énergétiques. Suite à de multiples collisions, celles-ci transfèrent leur énergie aux particules de plasma )

Ensuite, avec deux sources d'ondes électromagnétiques de haute fréquence.

  
  • Couverture:

L'intérieur de la chambre à vide sera tapissée de 440 modules de couverture mesurant chacun 1 x 1,5 mètres et pesant quatre tonnes. Les modules de couverture protègent la chambre à vide et les aimants contre la chaleur élevée, et aussi contre les neutrons très énergétiques produits par la fusion.

  
  • le divertor:

le divertor est le "plancher"  de la chambre à vide du tokamak. Il constitue le principal lien entre le plasma chaud et les matériaux de la chambre, il assure l'extraction de l'hélium et des impuretés de la machine. De plus, il est capable de résister à de fortes charges thermiques.

  • le cryostat:

Le cryostat est une "boîte froide" qui s'apparente à un réfrigérateur géant. Celui-ci enveloppe la chambre à vide et les aimants et assure l'isolation thermique du système magnétique et d'autres éléments.

  • les aimants et bobines d'Iter:

L'action conjuguée de près de 10000 tonnes d'aimants sera nécessaire pour confiner le plasma, les 48 éléments du système magnétique d'ITER généreront un champ magnétique environ 200.000 fois supérieur à celui de la Terre.

Ainsi dans ces 48 éléments, on retrouve les bobines d’Iter, ce sont des systèmes de câbles enroulés dont le matériau n’offre aucune résistance au courant électrique. Ce sont donc des bobines supraconductrices.

Certaines servent à confiner le plasma (bobines toroïdales) et d’autres permettent de contrôler la position du plasma (bobines poloïdales). Celle au centre de la machine permet de lancer le courant dans le plasma (solénoïde central).

Voici une représentation schématique du Tokamak en entier.