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Les recherches du CEA sur...

La fusion nucléaire pour produire de l’énergie

Publié le 17 novembre 2020

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 par confinement Magnétique (CEA-IRFM) à Cadarache, participe pleinement à la feuille de route européenne 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 sa capacité à produire de l’énergie grâce à des réactions de fusion.

Le CEA conduit des recherches qui ont participé à la mise en œuvre du projet Iter depuis son lancement et les oriente afin de répondre aux grands défis technologiques et scientifiques du futur réacteur, en se dotant d’expertises 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 dans d’autres unités de la Direction de la recherche fondamentale, de la Direction des énergies, et des contributions de la Direction de la recherche technologique. L’Administrateur général du CEA représente la France au sein de la délégation européenne au Conseil d’Iter.

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 de 1988 à 2013 - aujourd’hui devenu 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 le chauffage, le confinement et la stabilité du plasma, l’extraction de la chaleur et des particules du plasma, tout en assurant l’intégrité des composants en interaction avec le plasma d’un réacteur au fonctionnement 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

West est une évolution du tokamak Tore Supra, au CEA Cadarache. Cette installation réunit l’ensemble des moyens techniques permettant de réaliser des plasmas de longue durée. 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. Grâce au refroidissement actif des composants, la machine peut réaliser des plasmas de longue durée, ce qui constitue une base unique de mise au point des composants du divertor d’Iter et d’anticipation des problématiques de contrôle associées.

Après trois de travaux de 2013 à 2016, un jalon important a été franchi avec un premier plasma en décembre 2016. Fin 2017, WEST a rejoint la famille des tokamaks avec divertor en réalisant son premier plasma en « Point X ». Cette configuration magnétique permet de tester les composants qui font face au plasma dans des conditions similaires à celles d’ITER. Après une dernière campagne expérimentale en décembre 2019, cette configuration va encore évoluer en la dotant d’un divertor reprenant intégralement la technologie refroidie à l’eau pressurisée d’ITER, en fin d’année 2020.

 

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 entrer en opération vers 2025. Il mobilise sept partenaires internationaux regroupant 34 pays pour sa conception, sa réalisation et son fonctionnement. Les équipes du CEA contribuent sous forme de fournitures d’équipements et de prestations à la construction de la machine internationale, implantée au voisinage immédiat du CEA Cadarache. Elles se préparent à participer à son exploitation scientifique.



Demo :
démontrer la faisabilité industrielle

Fort des retours des expériences sur Iter, la communauté fusion – aussi bien scientifique, technologique qu’ingénierie système - étudie déjà l’étape suivante, appelée Démo, nom de code pour les différents projets de tokamaks devant amener à une filière industrielle de réacteur de fusion électrogènes. Demo doit permettre aux scientifiques et aux ingénieurs de démontrer la la faisabilité de production d’électricité et de qualifier les technologies spécifiques à un réacteur industriel. Le CEA participe en particulier à 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

Iter est en réalité la machine phare d’un effort international coordonné et le CEA est impliqué dans la R&D pour Démo dans un programme de coopération Europe - Japon appelé « Approche élargie » d’Iter. Ce programme compte deux grandes infrastructures de recherche actuellement en construction au Japon :

  • le tokamak JT-60SA, qui vise à étudier des configurations tokamaks potentiellement plus performantes qu’ITER
  • le projet Ifmif/Eveda (Engineering Validation and Engineering Design Activities) où sont conduites les activités d’ingénierie pour le design et la validation des principaux composants technologiques (accélérateur et cible en lithium liquide) de la future source d’irradiation Ifmif. Il s’agit de produire une source de neutrons similaires à ceux produits par les réactions de fusion, dont la très haute énergie induit des modifications structurelles des aciers de structure. Le CEA y assurera la qualification de nouveaux aciers en cours de développement et susceptibles de maintenir leurs qualités mécaniques sous un tel bombardement.

Le CEA porte les engagements de la France dans l’accord de l’« Approche élargie » et a fourni des équipements industriels fabriqués majoritairement en France.



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 uniques pour l’expérimentation (West), 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 (Irfu), 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.
L’institut a testé et validé 20 bobines toroïdales supraconductrices du tokamak japonais JT-60SA, dans le cadre de « L’Approche élargie » (voir le paragraphe dédié ci-dessus).

L’Institut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (Irig) mène des recherches en biologie, santé, nanosciences, cryotechnologies et nouvelles technologies pour l’énergie et l’environnement, en lien avec l’Université Grenoble Alpes, le CNRS, l’Inserm ou encore l’Inra. 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 définition et fourniture de l’usine cryogénique de JT-60SA. L’Irig possède aussi une expertise internationalement reconnue dans le domaine des injecteurs de glaçons de deutérium solide, un des moyens d’injecter le « combustible de la fusion directement dans le cœur des plasmas de tokamaks.

Ces équipes, rattachées à la Direction de la recherche fondamentale, sont complétées par celles de la Direction des énergies du CEA, qui mène des études de R&D dans le domaine de la conception et de la fabrication des couvertures tritigènes, et le développement et la mise en œuvre technologique d’aciers avec une bonne tenue vis-à-vis des neutrons, technologies 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. Situé en partie basse de l’enceinte à vide du tokamak, il assure l'extraction de la chaleur et de l'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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