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Les recherches du CEA sur...

La fusion nucléaire pour produire de l’énergie

Publié le 29 septembre 2015

Le CEA est un des premiers organismes de recherche européens dans le domaine de la fusion par confinement magnétique. L’organisme, en particulier à travers son institut de recherche sur la fusion magnétique (CEA-IRFM) à Cadarache, participe pleinement à la feuille de route internationale de la recherche dans ce domaine. Au centre de ces travaux, le projet international Iter, mobilise l’Union Européenne, la Russie, les États-Unis, le Japon, la Chine, la Corée du Sud et l’Inde. En construction à proximité du centre de Cadarache, ce tokamak doit démontrer la faisabilité d’une filière énergétique basée sur la fusion thermonucléaire.

Le CEA accompagne le projet Iter depuis son lancement et s’est adapté, depuis quelques années, afin de répondre aux grands défis technologiques et scientifiques du futur réacteur, en se dotant d’outils et de bancs de tests spécifiques. Il dispose de ses propres plateformes et moyens d’essai pour la R&D sur la fusion, non seulement à l’IRFM mais aussi à l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers à Saclay et à l’Institut nanoscience et cryogénie à Grenoble.



Reproduire les réactions
du cœur des étoiles

Dès les années 1950, les Soviétiques ont obtenu et confiné des particules à des températures de plusieurs millions de degrés en développant le premier tokamak. A partir de 1959, le CEA a participé à la réalisation de plusieurs tokamaks expérimentaux, dont TFR à Fontenay-aux-Roses et Petula à Grenoble, permettant de mettre au point les technologies de production, gestion et analyse du plasma à très haute température nécessaire à la génération des réactions de fusion. Jet (Joint European Torus), construit entre 1978 et 1982 en Grande Bretagne, et Tore Supra, en exploitation à Cadarache depuis 1988 - aujourd’hui en cours d’évolution vers la plateforme West-, ont ainsi constitué les étapes pionnières d’étude des phénomènes physiques liés à la réaction de fusion, et d’identification des défis technologiques à relever, comme l’érosion des matériaux constituant l’enceinte de confinement des tokamaks ou le fonctionnement d’un réacteur en continu. Ainsi les ingénieurs et les chercheurs de Tore Supra ont obtenu en 2003 une durée record de plasma, plus de six minutes et ceux de Jet ont établi en 1997 le record mondial de puissance de fusion produite avec 16 MW.



De Tore Supra à West

Le projet West est une évolution du tokamak Tore Supra, au CEA Cadarache. Cette installation réunit –cas unique au Monde- l’ensemble des moyens techniques permettant de réaliser des plasmas de longue durée. Le projet West – pour Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak - consiste à installer et tester, au sein de Tore Supra, un divertor utilisant la même technologie que celle du divertor d’Iter. Tore Supra devient ainsi un véritable banc d’essai pour Iter. De par ses équipements spécifiques qui lui permettent de réaliser des plasmas de longue durée, notamment grâce au refroidissement « actif » des composants, la machine constitue une base unique d’expérimentation des matériaux face au plasma, avant leur assemblage sur Iter.

 

VidéoWest prépare Iter à domestiquer la fusion nucléaire



Iter :
démontrer la faisabilité physique

Ce tokamak expérimental aura pour mission de démontrer qu’il est possible de générer des réactions de fusion produisant 500 MW pendant plus de 6 minutes, et dans un second temps, que ces réactions peuvent être maintenues pendant plus de 16 minutes. Il devrait être opérationnel pour la prochaine décennie, son exploitation prévoyant de s’étendre sur 20 ans. Il mobilise un partenariat international de 34 pays pour sa conception, sa réalisation et son fonctionnement. Les équipes du CEA accompagnent la montée en compétences des équipes propres à Iter ainsi que la construction de la machine internationale, implanté au voisinage immédiat du CEA Cadarache.



Demo :
démontrer la faisabilité industrielle

Les expériences sur Iter seront suivies par la construction d’un démonstrateur de réacteur électrogène – Demo-, préalable à un parc de réacteurs industriels à fusion. Demo doit permettre aux scientifiques et aux ingénieurs de démontrer la production d’électricité et de qualifier les technologies spécifiques à un réacteur industriel. Dans le cadre de collaborations internationales, le CEA s’implique dans le dimensionnement de Demo notamment avec le développement d’un code système permettant d’intégrer l’ensemble des contraintes physiques, technologiques et nucléaires. Par ailleurs, le CEA réalise de la R&D dans le domaine des couvertures tritigènes et des matériaux résistants aux neutrons produits par les réactions de fusion, deux technologies essentielles pour le réacteur industriel.



L’approche élargie

Pour soutenir la feuille de route internationale de la R&D sur la fusion qui passe notamment par le projet Iter, la Communauté européenne de l’énergie atomique (Euratom) et le gouvernement japonais mènent une coopération baptisée « Approche élargie » (ou Broader Approach) définissant un programme de recherche et de développement en commun. Les objectifs de l’Approche élargie sont de préparer l’exploitation d’Iter, d’élargir son programme de recherche et de développer la R&D pour dimensionner un réacteur électrogène prototype, Demo, économiquement attractif. L’approche élargie compte trois grandes infrastructures de recherche implantées au Japon :

  • le tokamak JT60SA,
  • le centre de calcul Iferc
  • le centre Eveda (Engineering Validation and Engineering Design Activities) où sont conduites les activités d’ingénierie pour le design et la validation de la future source d’irradiation Ifmif.

Le CEA porte les engagements de la France dans l’accord de l’« Approche élargie ». L’organisme pilote plusieurs projets clés de la collaboration, avec l’appui de nombreux partenaires industriels en Europe.



Les compétences du CEA

L’IRFM est reconnu par la communauté scientifique internationale pour son expertise sur les plasmas de longue durée et les technologies associées et dispose de plateformes très pointues pour l’expérimentation (West / Tore Supra), les tests de composants (imagerie infra rouge, robotique, etc.) ainsi que pour la simulation (calcul haute performance, modélisation, représentation en réalité virtuelle 3D).
Deux autres instituts du CEA apportent des contributions majeures dans la conception des technologies nécessaires à la fusion.

L’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers, au CEA Saclay, mène des programmes de recherche pour les domaines de l’astrophysique, la physique nucléaire et la physique des particules. Les compétences développées en matière d’accélérateurs de particules et de détecteurs de particules pour ces trois domaines sont aujourd’hui valorisées dans d’autres domaines dont les composants cryo-magnétiques pour des réacteurs de fusion et pour des machines d’imagerie médicale à très haute résolution.
Après les tests réussis des 70 bobines de la machine de fusion allemande W7-X (Institut de physique du plasma de Garching), l’institut est chargé de ceux des 18 bobines toroïdales supraconductrices du tokamak japonais JT-60SA, dans le cadre de « L’Approche élargie ».

L’Institut nanosciences et cryogénie, au CEA Grenoble, est un laboratoire de recherche fondamentale du CEA et de l’Université Joseph Fourrier, sur la matière condensée, la matière molle et la cryogénie. L'institut dispose de fortes compétences en cryogénie pour le spatial et les grands instruments de la physique (Tore Supra, CERN). Ses ingénieurs et ses chercheurs ont participé à la mise au point du système cryogénique de Tore Supra ainsi qu’à la définition et au suivi de réalisation de l’usine cryogénique de JT-60SA. L’Inac possède aussi une longue expertise dans le domaine des injecteurs de glaçons (« pellets ») de deutérium solide, un des moyens d’injecter le « combustible » de la fusion directement dans le cœur des plasmas de tokamaks.

La Direction de l’énergie nucléaire du CEA mène des études de R&D dans le domaine de la conception et de la fabrication des couvertures tritigènes, ainsi que des matériaux des structure de la première paroi, des couvertures tritigènes et du divertor, matériaux résistants aux neutrons produits par les réactions de fusion à des températures élevées. Ces deux technologies sont essentielles pour un futur réacteur industriel.


Galerie Photo

Tokamak Tore Supra
Tokamak Tore Supra - Inspection des Anneaux de Garde module 4. © P.Stroppa / CEA

Retrouvez l'intégralité du reportage "Tokamak Tore-Supra : l'énergie de fusion" dans la médiathèque.


Vidéofusion(s)
 

Qu'est-ce
qu'un divertor ?

Le divertor est l'un des composants fondamentaux d’Iter. Courant sur le « plancher » de la chambre du tokamak, il assure l'extraction de la chaleur et des cendres d'hélium, deux produits de la réaction de fusion, ainsi que d'autres impuretés issues du plasma. Le divertor fonctionne comme un gigantesque système d'évacuation. Il sera composé de deux éléments principaux: une structure de soutien, essentiellement constituée d'acier inoxydable, et des éléments face au plasma, en tungstène, un matériau hautement réfractaire.
VidéoLe projet Iter - la fusion thermonucléaire, le nucléaire du futur






























Vidéofusion(s) - la fusion inertielle

Fusion par confinement inertiel

Le CEA s’intéresse aussi à une autre voie pour créer les conditions de la fusion thermonucléaire. Il s’agit de convertir la lumière amplifiée par un laser en rayonnement X, par interaction laser-matière au sein d’une cavité, puis d’utiliser ce rayonnement pour comprimer une cible contenant quelques microgrammes de matériau fusible. C’est l’un des objectifs du Laser Mégajoule (site web du LMJ) dont le but n’est pas de mener des recherches pour la production d’énergie mais de recréer, en laboratoire, les conditions thermodynamiques semblables à celles rencontrées lors du fonctionnement d’une arme nucléaire.

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