Le Tokamak

2. Le Tokamak Réacteur à fusion nucléaire Plasma Fusion Nucléaire Le Réacteur

3. Tokamak • Plasma • Fusion • Réacteur • Impact

4. Tokamak • Plasma • Fusion • Réacteur • Impact

5. Le Plasma Lorsque Energie thermique du gaz >Energie de ionisation. => Atomes sont ionisés « 4eme état de la matière » Les électrons et les atomes se déplacent alors quasi-librement et forme « une soupe » comparable d’aspect au plasma humain d’où son nom.

6. Des plasmas où ?

7. Faire un Plasma • Transmettre suffisamment d’énergie pour que Tgaz=millions de Kelvin • Les sources les plus courantes : - rayonnement électromagnétique, - courant électrique, - flux de particules (neutrons), • Le conserver : - le garder au chaud - l’isoler thermique (conduction et rayonnement)

8. Déplacer et confiner le plasma • Le plasma est globalement neutre • Mais fait de particules chargées • Induire un courant dans le plasma • Utiliser des champs magnétiques pour confiner le plasma

9. Transformateur en acier Plasma Courant induit dans le plasma Circuit primaire avec un courant alternatif

10. Tokamak • Plasma • Fusion • Réacteur • Impact

11. LA FUSION Les réactions nucléaires: Les noyaux lourd : Z > 55 (Fe) => Fission nucléaire Les noyaux léger : Z < 55 (Fe) => Fusion nucléaire

12. LA FUSION • Plus les noyaux sont légers plus la fusion dégage de l’énergie • La réaction de fusion nécessite de passer la barrière de potentiel des deux noyaux => rapport à l’énergie thermique du plasma:~10 [keV] par particules= 107[°K]

13. LA FUSION • La fusion la plus énergétique: Deuterium+Deuterium (43.2 MeV) • La fusion la plus probable: Deuterium+Tritium Problème: ~ 70 kg de T sur terre car instable On peut extraire du Tritium à partir du Lithium, beaucoup plus facile à trouver

14. LA FUSION Les avantages de ce processus: • Le Deuterium se trouve très abondamment dans l’eau de Mer, 0.033 [kg/m3] Donc ressource quasiment illimitée (1013 tonnes sur terre) • Les cendres: He4 sont non radioactives • Le Lithium se trouve dans de nombreux gisements et dans les océans, 0.00017 [kg/m3] (=>réserve pour 1000 ans) • Puissance: énergie 1g mélange 1/2 D+1/2 T ~ 104 litres de pétrole Les problèmes de ce processus: • Complexité technologique du réacteur. • La quantité de déchets radioactifs due à la structure du réacteur irradiée lors de la réaction est comparables à une central à fission. Mais avec un taux d’activation 100 à 1000 fois inférieur

15. Le Plasma dans le Tokamak pour une reaction de fusion • Température : 100-200 million [°K] • Densité :

16. Tokamak • Plasma • Fusion • Réacteur • Impact

17. Les réacteurs • 1) Le confinement inertiel: • Une capsule compacte de combustible dans un réceptacle • Une puissance apportée énorme et instantanée • Fusion de très courte durée • Energie transmise: • 106 [J] en quelques nanosecondes • soit des centaines de terawatts • Utilisant: • Des rayons X • Des lasers Deux méthodes :

18. Les réacteurs • 2) Le confinement magnétique: • Le combustible est transformé en plasma • Le plasma est emprisonné dans des champs magnétiques • Fusion peut durer plusieurs minutes (pour l’instant) Les réacteurs Tokamaks, contraction de « toroidalnaja kamera magnetnaja katuska » (soit en français, chambre toroïdale à confinement magnétique) Igor Yevgenyevich Tamm et Andreï Sakharov (~1960) • Plus précisément sur: • le confinement magnétique • le système de chauffage • les résultats • extraire de l’énergie de la Fusion

19. Le confinement magnétique Utiliser des champs magnétique => un courrant dans le plasma Bobine primaire(courant alternatif) Bobine (courant alternatif) Courant dans le Plasma

20. Le confinement magnétique Paroi du Tokamak Vide Courant Plasma Plasma ne doit pas se dissiper

21. Le confinement magnétique Coupe du Tore Ajout d’un champs magnétique parallèle au courant

22. Le confinement magnétique Bobines toroïdalles Champ magnétique toroïdal

23. Le confinement magnétique • Problème : • Force centrifuge • Champ non uniforme, gradient non nul Ajouter une composante poloïdale au champ magnétique Champ poloïdale produit par le courant

24. Le confinement magnétique Pour contrôler les instabilités on ajoute un troisième champ encore poloïdal généré par des bobines Champ magnétique poloïdal Bobinespoloïdales Plasma Paroi du Tokamak

25. Le confinement magnétique Problèmes d’instabilité en confinement magnétique: Définitions: Temps de confinement, τ :temps pour perte énergie totale si on coupe toutes sources (chauffage, combustible) Facteur d’amplification, Q: Facteur de Lawson:

26. Le confinement magnétique • Prévoir l’évolution du plasma => magnétohydrodynamique qui tient de l’électrodynamique et de la dynamique des fluides. • Lourdes équations différentielles partielles • Permet de prédire quelques phénomènes uniquement • Instabilités: • petites perturbations apparaissent • amplification dans le temps car confinement instable • confinement ne suffit plus => plasma s’échappe Les instabilités sont innombrables, de toutes formes Le temps de confinement τ ~ 1 / instabilité du confinement

27. Le confinement magnétique Pour corriger des perturbations et comprendre d’avantage le Plasma=> Observer • Mesurer le rayonnement du Plasma: • X : très énergique, rayonnement électrons => distribution de l’énergie • UV: rayonnement d’atomes lourds=>impuretés surchauffe des éléments • Visible : Vue générale de la chambre Interactions parois-plasma

28. Le confinement magnétique Observer: • Emission d’onde EM: • réflectométrie réflexion sur plusieurs λ => densité • interférométrie changement de polarité => densité,courant, température • Détecteurs dans la chambre: • Sonder le plasma de bord => pression et température de bord • Bras mobile pour des introspections rapides ~ 40 diagnostics sur un réacteur

29. Le confinement magnétique Modifier en fonction des Observations: • Injections de gaz combustible pour changer n, densité • régler le champ magnétique poloïdal

30. Chauffer le plasma Fusion => • Le courant circulant par effet Joule (résistance) • Quelques MA => très efficace • La résistance décroît avec la température • Dès 10 Million [°K], plus efficace • La stimulation faisceau de particules neutres : • Accélérer ions négatifs deutérium • Neutraliser les ions • Injecter du deutérium neutre Injections de particules de ~100 keV Puissance globale ~10MW

31. Chauffer le plasma • Par radiofréquence: • => Faire résonner les particules désirées en envoyant une onde EM de bonne fréquence. • fréquence cyclotronique ionique ~ Mhz, exciter le D • fréquence cyclotronique électrique ~ Ghz exciter les électrons

32. Les Grands résultats • Plasma performant => denstié ,température, confinement : τ=> facteur de Lawson : Varie avec le carré du grand rayon du plasma Caractéristiques des installations de fusion :taille grande taille => performance • (Joint European Torus (JET) 100 m3 de plasma, plus grand Tokamak) • D–T mélange à partir de 1990 (JET, UK; TFTR,USA)=> grande puissance

33. ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor) Collaboration Mondiale: Canada, Corée du sud, États-Unis, Japon, Union européenne, Russie Construction en 2005 , le site: France , Japon, Canada, Espagne Développer un réacteur rentable et un processus exploitable en réunissant les techniques acquises au niveau mondial. Problèmes:Gros budget: 10 milliards d'eurosLong : commencé en 2005, résultats en 2050

40. Exploiter le réacteur 1) Injection du combustible; 2) Plasma en confinement; 3) énergie 4) Couverture de Tritigène; 5) Turbine et production d’électricité.

41. Tokamak • Plasma • Fusion • Réacteur • Impact

42. Impact Danger et radioactivité : • La réaction ne peut pas s’emballer : • Faible quantité de combustible, débit conrôlé=> plus de débit plus de réaction • Perturbation non contrôlée => refroidissement rapide => arrêt • Radioactivité : • Cendre et carburant: He,D,Li non radioactifs • Structure du réacteur exposée au rayonnement=> éléments de structure à faible taux d’activation

43. Impact Energies de demain • Future => Augmentation de la consommation mondiale d’énergie • Population mondiale en hausse (6 milliards, 2000 à 10 milliards, 2050) • Besoins énergétiques des pays en développement => En 2050 , deux à trois fois la consommation actuelle

44. Impact Quelles énergies ? Energies primaires consommées • Actuellement : • Combustibles fossiles 85% énergie primaire • 2/3 électricité • Réserves limitées: • ~ 40 ans pour le pétrole • ~ 60 ans pour le gaz • ~ 220 ans pour le charbon Problème de production de gaz carbonique => Effet de serre

45. Impact Donc la FUSION une énergie d’avenir... ...si on arrive à l’exploiter!

46. Bibliographie • Euratom-CEA : http://www-fusion-magnetique.cea.fr • EPFL CRPP : http://crppwww.epfl.ch • ITER : http://www.iter.org/index.htm • http://www.wikipedia.org • Pour la Science : Machine Z et fusion nucléaire; No252 • Science & Vie : No1034 • Fusion ans Fast Breeder Reactors, Häfele, Holdren, Kesseler, Kulcinski • 1976