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Les énergies du 21ème siècle

Fusion thermonucléaire


On peut récupérer de l’énergie en cassant un gros noyau d’atome en deux, c’est le nucléaire de fission, ou en fusionnant deux noyaux légers, comme le deutérium et le tritium : c'est la fusion thermonucléaire.

Publié le 1 août 2012

La fusion thermonucléaire Deutérium-Tritium dégage une énergie considérable en partant de très peu de combustible : avec moins de deux kilogrammes 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 pour produire cette puissance avec une centrale thermique. Le combustible employé est très abondant : les réserves de deutérium sont infinies à l’échelle de la durée de vie de notre planète (elles sont contenues essentiellement dans l’eau de mer). Les réserves terrestres de lithium, nécessaires pour fabriquer le tritium, sont finies mais disponibles sur plusieurs milliers d’années. La mer en contient de grandes quantités (170 mg/L).

Autre atout de la fusion, c’est un mode de production d’énergie qui ne produit ni gaz à effet de serre ni déchets hautement radioactifs à vie longue. Enfin, la réaction ne peut conduire à l’emballement et peut se stopper immédiatement : il suffit d’interrompre l’alimentation en combustible ou le chauffage du plasma pour que tout s’arrête en quelques secondes. Mais, 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 suppose de relever un certain nombre de défis. Si le chemin est encore long, on devrait pouvoir déployer des réacteurs industriels avant la fin du siècle moyennant un effort soutenu de R&D et d’industrialisation.


Des études en tokamak

Qu’est ce qu’un tokamak ?
Principe d'un tokamak
Principe d'un Tokamak - © CEA/Yuvanoe

C’est un acronyme russe : toroïdalnaïa kameras magnitnymi kakushkami, qui signifie « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ». Cette enceinte en forme de tore est capable de confiner un plasma à l’aide de champs magnétiques et ainsi de créer les conditions nécessaires aux réactions de fusion.

Les recherches au sein des tokamaks déjà existants à travers le monde se poursuivent et progressent. Le centre CEA de Cadarache dispose d’une importante plateforme scientifique et technologique de fusion. Cette plateforme réunit près de 270 chercheurs qui travaillent sur la physique fondamentale de la fusion, dans le domaine des plasmas, des matériaux, de la cryogénie ou encore des diagnostics, notamment sur l’installation Tore Supra.

TORE SUPRA - Vue de l’enceinte plasma
TORE SUPRA - Vue de l’enceinte plasma. © P.Stroppa/CEA


Premier grand tokamak supraconducteur de l’histoire, Tore Supra a permis d’ouvrir le champ des « décharges longues », dont il détient le record mondial, et de développer des concepts, des systèmes et des matériaux dont la finalité est de soutenir le mode de fonctionnement « continu » nécessaire à un réacteur électrogène. Mis en chantier en 1982 dans le cadre du contrat associant Euratom et le CEA, la machine a obtenu son premier plasma en 1988. Depuis, elle a produit plus de 40 000 décharges de plasma et ses dix-huit bobines supraconductrices ont fonctionné de façon très fiable. Le plasma n’est pas composé d’un mélange de deutérium-tritium mais uniquement de deutérium. En 2008, l’installation est entrée dans sa vingtième année de fonctionnement.

A Culham en Grande Bretagne, le tokamak européen JET (Joint European Torus) est la plus grande installation de fusion au monde et la seule actuellement capable de fonctionner avec le mélange de combustible Deutérium + Tritium. JET détient le record de puissance jamais obtenu : en 1997, il a produit 16 MW de puissance de fusion. Tore Supra et le JET sont à bien des égards des précurseurs et leur longévité est riche d’enseignements pour concevoir les prochaines installations.

Pour aller plus loin


 l'infographie "Le tokamak de fusion nucléaire"


VidéoWest prépare Iter à domestiquer la fusion nucléaire



Vidéofusion(s)


ReportageTokamak Tore-Supra : l'énergie de fusion
  • Vue générale de Tore-Supra
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 mars 2008 / Lieu : CEA Cadarache
    Vue générale de Tore-SupraAfficher en plein écran
  • Maintenance du tokamak
    Inspection des Anneaux de Garde module 4 lors d'opérations de maintenance.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 juillet 2009 / Lieu : CEA Cadarache
    Maintenance du tokamakAfficher en plein écran
  • Maintenance du tokamak
    Vue de l'enceinte plasma de Tore-Supra depuis le module 3. Inspection antenne Cyclotronique Ionique A2-Q5, lors d'opérations de maintenance.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 juillet 2009 / Lieu : CEA Cadarache
    Maintenance du tokamakAfficher en plein écran
  • Maintenance du tokamak
    Inspection du LPA (Limiteur de Protection des Antennes) module 3, lors d'opérations de maintenance.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 juillet 2009 / Lieu : CEA Cadarache
    Maintenance du tokamakAfficher en plein écran
  • Tokamak Tore-Supra : l'énergie de fusion
    Tore-Supra utilise des ondes (40-80MHz) pour chauffer les ions du plasma. Les ondes sont créées par des générateurs et acheminées jusqu'à l'enceinte à vide par des liaisons coaxiales (tubes jaunes) et ensuite transmises au plasma par des antennes.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 mars 2008 / Lieu : CEA Cadarache
    Tokamak Tore-Supra : l'énergie de fusionAfficher en plein écran
  • Bobine supraconductrice du tokamak
    Bobine supraconductrice de rechange pour Tore-Supra. La bobine en elle-même est logée à l'intérieur de la structure métallique qui est une enceinte de refroidissement avant d'être insérée dans le cryostat.
    Crédits photo : P.Stroppa/CEA / Date : 27 mars 2008 / Lieu : CEA Cadarache
    Bobine supraconductrice du tokamakAfficher en plein écran


Projet ITER

Dans l’éventail des choix énergétiques, la fusion s’impose donc comme une option majeure à long terme. L’enjeu est tel que les recherches menées sur le sujet dépassent les frontières et c’est une grande partie de la communauté internationale qui s’engage dans la construction de l’installation ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) - réacteur expérimental de fusion thermonucléaire par confinement magnétique. Il est prévu que la construction d’ITER prenne plusieurs années. Les physiciens disposeront d’un anneau de plasma de 840 m3, dix fois plus volumineux que celui obtenu dans les plus grandes machines actuelles. Il s’agira de porter le plasma à quelque 150 millions de degrés pour y produire les réactions de fusion thermonucléaire.

Grâce à la puissance du supercalculateur Tera 10 du CEA de Bruyères-le-Châtel, le code de calcul Gysela, développé en collaboration par des chercheurs du CEA et de l’Inria, a permis de modéliser les échanges à l’intérieur d’un plasma d’une taille voisine. À chaque pas de temps (de l’ordre de la microseconde), il a fallu calculer le nombre de particules, leur position et leur vitesse, sur chacun des dix milliards de points de maillage. Verdict : la chaleur devrait être suffisamment confinée au coeur du plasma, là où elle est utile pour que les réactions de fusion puissent se dérouler.

Les recherches menées dans cette installation devraient exiger une vingtaine d’années. Elles permettront d’acquérir les connaissances scientifiques et techniques suffisantes pour maîtriser la production d’une puissance crête de fusion d’environ 500 millions de watts pendant plusieurs centaines de secondes et d’environ 200 millions de watts pendant plusieurs dizaines de minutes, objectifs considérés comme des étapes clés pour envisager la construction d’un réacteur électrogène. La mise en service d’un démonstrateur d’une puissance de 1 500 MW, d’ores et déjà baptisé DEMO, est prévue à l’horizon 2040. Etudier avec DEMO la faisabilité industrielle de la production d’électricité par la fusion nucléaire devrait alors demander une vingtaine d’années. La construction du premier prototype industriel, d’une puissance électrique de l’ordre de 1 500 gigawatts, peut donc être envisagée à l’horizon 2060 et conduire à un déploiement de réacteurs industriels aux alentours de 2070-2080.

VidéoLe projet Iter - la fusion thermonucléaire, le nucléaire du futur

Représentation du Tokamak ITER

Représentation du Tokamak ITER, réacteur expérimental de fusion où le plasma atteindrait 800 m3.
© DR


L’enjeu d’ITER

La Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l’Inde, le Japon, la Russie et l’Union européenne sont solidairement engagés dans ce projet de plusieurs milliards d’euros. En 2005, la décision a été prise de construire ITER à Cadarache, en France.
L’objectif selon ses concepteurs est de produire, en injectant une puissance de 50 MW de chauffage du plasma, une puissance thermique de fusion de 500 MW pendant 400 secondes. 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.