Consolider les régimes de référence du plasma
La communauté scientifique étudie les processus physiques à l’œuvre dans un tokamak, et en particulier les instabilités liées aux turbulences du plasma. En effet, l’énergie apportée au plasma pour le chauffer aux températures nécessaires à la fusion est à l’origine de phénomènes de turbulence qui peuvent dégrader la qualité de l’isolement thermique du cœur du plasma et d’instabilités du plasma qui peuvent provoquer des interruptions de fonctionnement.
Comprendre et maîtriser ces turbulences suppose à la fois d’approfondir les connaissances en physique des plasmas mais aussi de développer des instruments de mesure (diagnostic) permettant la validation expérimentale de la modélisation.
Les phénomènes de turbulence restent encore extrêmement difficiles à modéliser. Il s’agit d’un problème à plusieurs échelles aussi bien spatiales que temporelles dans un milieu très complexe : fortes températures, milieu magnétisé, densités de courant élevées... Durant ces dernières années, l’augmentation de performance des supercalculateurs a permis des progrès considérables dans cette compréhension, grâce à la modélisation des plasmas de tokamaks. Avec l’arrivée prévisible de supercalculateurs au niveau de l’Exaflops, il sera possible dans peu de temps de prendre en compte l’ensemble des échelles gouvernant la turbulence et donc d’en comprendre encore mieux les mécanismes intimes.
Etude des paramètres d’un plasma depuis la salle de contrôle-commande de Tore Supra, au CEA IRFM (2008). © P.Stroppa/CEA
Qualifier les systèmes d’évacuation de la chaleur
La mise au point des systèmes d’évacuation de la chaleur produite par le plasma constitue un enjeu en termes de choix et de mise en œuvre des matériaux utilisés.
Quand un plasma est maintenu sur de longues durées, les composants qui lui font face doivent évacuer de très importantes quantités de chaleur. Le flux de chaleur peut atteindre 10 à 20 MW/m2, c'est-à-dire près du quart du flux de chaleur présent à la surface du Soleil.
Seuls quelques très rares matériaux sont capables de fournir les conditions de conductivité de la chaleur et de supporter les contraintes et les fortes températures, pendant les quelques dizaines d’années d'exploitation d’un tokamak. Ces matériaux existent, mais ont encore besoin de qualification et de caractérisation dans un environnement de tokamak en opération, en particulier dans l’optique de leur utilisation sur Iter.
Développer les matériaux résistant aux flux de neutrons
Les matériaux du tokamak doivent non seulement résister à la chaleur mais aussi à l’irradiation intense issue du plasma. Les neutrons très énergiques de la réaction de fusion (14 MeV) qui bombardent la paroi du réacteur fragilisent les matériaux qui la constituent. Ils peuvent déplacer les atomes et perturber le réseau cristallin du matériau, ou réagir avec les atomes et engendrer une production de gaz (hydrogène et hélium) en leur sein.
Valider un concept d’alimentation du réacteur en tritium
Dans la perspective d’un réacteur industriel de fusion, un autre enjeu réside dans la capacité d’assurer l’auto-alimentation de la machine en tritium, fermant ainsi en interne le « cycle du combustible ». En effet, le tritium, de par sa période radioactive courte (12,3 années) est un élément très rare sur Terre : la production naturelle est de 0,2 kilo / an et l’inventaire actuel du tritium mobilisable sur Terre est d’environ 19 kilos. Le tritium utilisé dans une centrale à fusion devra donc être produit par la centrale elle-même.
Mettre en œuvre la sûreté intrinsèque du réacteur de fusion
Dans un réacteur à confinement magnétique, une légère altération de l’un ou l’autre des paramètres du plasma provoque l’arrêt immédiat de la réaction. Tout risque d’emballement est donc exclu, d’autant que la quantité de combustible mise en œuvre dans le plasma est très faible (quelques grammes). De plus, le réacteur de fusion est alimenté de façon continue en combustible gazeux : il suffit d’interrompre cette alimentation pour que la réaction s’arrête en une fraction de seconde.
1 Le tritium a une période relativement courte de 12,3 ans et se désintègre en émettant un électron de faible énergie : 5 millimètres d’air ou une simple feuille de papier suffisent pour l’arrêter et il ne peut traverser la peau. Il ne peut donc endommager les cellules de l’organisme qu’à condition d’être inhalé ou ingéré. Il ne présente aucune toxicité chimique.
Les « risques nucléaires » liés à l’utilisation du tritium1, radioactif, et à l’activation progressive du revêtement interne de la chambre à vide de la machine par les neutrons, sont identifiés et pris en compte tant dans la conception de la machine que dans les règles qui s’appliqueront à son exploitation et à son démantèlement. Le concept des couvertures tritigènes permet que le « cycle du combustible » soit limité à l’enceinte de la machine : cela exclut les problèmes que pourrait poser le transport du tritium.
La réaction de fusion, très différente de la réaction de fission, ne produit aucun élément comparable aux « produits de fission ». Aucun déchet de haute activité à vie longue ne résultera de l’activité des réacteurs à fusion. En revanche, il y aura production de déchets de très faible activité (20% du volume total), de faible et moyenne activité à vie courte (75%) et, en faible quantité (5%), des éléments de moyenne activité à vie longue. Ces déchets ne sont que ceux provoqués par l’activation de l’installation elle-même.
La mise au point de matériaux à faible activation et résistant aux neutrons de 14 MeV, permet d’envisager qu’une centaine d’années après la mise à l’arrêt d’un réacteur de fusion, la radiotoxicité des matériaux qui constituent l’installation sera redescendue à un niveau proche de la radioactivité naturelle.