La fusion nucléaire est le processus dans lequel deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction est à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et les étoiles. La
fusion thermonucléaire dégage une quantité d’énergie colossale en partant de très peu de combustible. Ainsi, avec moins de 2 kg par jour de deutérium et de tritium, on pourrait produire 1 000 MW d’électricité en continu, alors qu’il faudrait plus de 6 000 tonnes de combustibles pétroliers dans une centrale thermique.
De nombreux défis technologiques sont à relever avant de pouvoir disposer de cette énergie qui s’envisage donc comme une option à long terme.
Les atouts de la fusion
-
Le
combustible employé est abondant les réserves de deutérium, contenu essentiellement dans l’eau de mer, sont infinies à l’échelle de la durée de vie de notre planète. Celles de lithium (nécessaires pour fabriquer le tritium) sont finies mais disponibles sur plusieurs milliers d’années.
-
Ce mode de production d’énergie ne produit ni gaz à effet de serre ni déchets hautement radioactifs à vie longue.
-
La réaction ne peut pas s’emballer et peut être stoppée immédiatement.
Des études en tokamak
Confiner de manière durable cet univers de turbulences que constitue un
plasma chauffé à plus de 100 millions de degrés, apprivoiser cette réaction de manière à en faire un
moyen de production d’électricité fiable, rentable et continu supposent de relever un grand nombre de défis. Pour cela, les recherches au sein des tokamaks existant à travers le monde se poursuivent et progressent.
Zoom sur un tokamak
Dans un tokamak, trois conditions doivent être remplies pour obtenir des réactions de fusion :
-
une
température très élevée (de l'ordre de 150 millions de degrés)
-
une
densité de particules suffisante pour produire un grand nombre de collisions
-
un
temps de confinement de l'énergie suffisamment long
L'énergie générée par la fusion des noyaux atomiques est absorbée sous forme de chaleur par les parois de la chambre à vide. Cette chaleur peut ensuite être utilisée pour produire de la vapeur, puis, grâce à des turbines et à des alternateurs, de l'électricité.
Hall du Tokamak (CEA Cadarache) © P. Dumas / CEA
Infographie sur le tokamak de fusion nucléaire © Les défis du CEA
De Tore Supra à West : le premier grand tokamak
Sur le centre CEA de Cadarache, le premier grand tokamak supraconducteur de l’histoire,
Tore Supra, a obtenu son premier plasma en 1988 et a ainsi permis d’ouvrir le champ des « décharges longues ». À Culham en Grande-Bretagne, le tokamak européen
JET (Joint European Torus) est la plus grande installation de fusion au monde. En 1997, JET décroche le record de puissance avec 16 MW.
Aujourd’hui, Tore Supra est devenu
West (W Environment in Steady-state Tokamak, W étant le symbole du tungstène). Les chercheurs travaillent tant en physique fondamentale et dans le domaine des plasmas que sur les matériaux, la cryogénie ou encore les diagnostics.
Iter : un tokamak pour démontrer la faisabilité de l'énergie de fusion
Le projet international
Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor) mobilise l’Union Européenne, la Russie, les États-Unis, le Japon, la Chine, la République de Corée du Sud et l’Inde. En construction à proximité de Cadarache, ce tokamak devra produire, en injectant une puissance de 50 MW de chauffage du plasma, une puissance thermique de fusion de 500 MW pendant 400 secondes et d’environ 200 millions de watts pendant plusieurs dizaines de minutes. L’enjeu :
démontrer la faisabilité scientifique et technologique de l’énergie de fusion par
confinement magnétique pour produire de l’électricité à échelle industrielle d’ici la fin du siècle.
Démo : l'après Iter
Forts des expériences qui seront menées pour et sur Iter, les chercheurs étudient déjà l’étape suivante, appelée
Démo : différents projets de tokamaks
pour une filière industrielle de réacteurs de fusion électrogènes.
Zoom sur la simulation d'un plasma
La
turbulence gouverne le transport de la chaleur dans les plasmas de tokamaks, du cœur chaud vers les parois. L'expérience montre que l'interaction plasma-paroi joue un rôle clé sur les performances globales.
Le code de calcul 5D Gysela, développé à au
CEA-IRFM dans le cadre de collaborations nationales et européennes, a permis de retrouver qualitativement ces résultats en modélisant les parois.
Un
limiteur toroïdal, proche de la configuration du tokamak Tore Supra a ainsi été implémenté dans le code. Un mécanisme complexe de transfert de quantité de mouvement, né au voisinage de ce limiteur a été identifié. Il joue un rôle central dans la formation d'un écoulement cisaillé périphérique bénéfique au confinement.
Simulation 3D d’une turbulence plasma dans la configuration du tokamak Tore Supra effectuée avec le code 5D Gysela. © Equipe GYSELA, CEA/IRFM