1 / 49

LA FUSION: Source prometteuse d’énergie

LA FUSION: Source prometteuse d’énergie. Claude Boucher. Pourquoi la Fusion ? Besoins énergétiques Changements climatiques Concepts de base Réaction nucléaire Filières : Magnétique , I nertiel Le TOKAMAK ( toroidalnaya kamera magnitnaya )

avedis
Download Presentation

LA FUSION: Source prometteuse d’énergie

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. LA FUSION:Source prometteuse d’énergie Claude Boucher

  2. Pourquoi la Fusion ? Besoins énergétiques Changements climatiques Concepts de base Réactionnucléaire Filières: Magnétique, Inertiel Le TOKAMAK (toroidalnaya kamera magnitnaya) Bilan de puissance de la fournaise thermonucléaire Temps de confinement Critère de Lawson « Break-even » vs « Ignition » ITER Centrale électrique Plan ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 2

  3. Consommation mondiale 1 Mtoe = 0.042 EJ 462 EJ From BP Statistical Review of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 3

  4. Prévision de la demande IEA World Energy Outlook www.worldenergyoutlook.org La demande mondiale croit de 45% d’ici à 2030 – un taux moyen de croissance 1.6% par an – avec le charbon qui représente plus du tiers de l’augmentation 1 Gtoe = 42 EJ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 4

  5. Carburants fossiles : Rapport entre les réserves et la production (R/P) De BP StatisticalReview of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 5

  6. Estimation des réserves des principales ressources non renouvelables aprévisions pour 2050 sont entre 500 et 800 EJ b X 10 incluant sources «non-conventionelles» 1 Consortium Fusion Expo Europe 2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ ) ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 6

  7. Renouvelables (Gauche) Production U.S. d’électricité tous carburants confondus, et (Droite) contribution des technologies de la biomasse, éolien, géothermique, et solaire aux sources non-hydro. Proceedings of the IPCC SCOPING MEETING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES, Lübeck, Germany, 20 – 25 January, 2008 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 7

  8. Puissance : 1 657 MW Type :Au-fil-de-l’eau Nombre de turbines : 38 Hauteur : 24 m Inauguré: 1932-1961 Système hydrologique: Fleuve St-Laurence Réservoir :Lac Saint-François Aire du réservoir : 233 km2 Barrage de Beauharnois ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 8

  9. Panneaux photovoltaïques (PV) 1 GWe à illumination solaire maximum de 1kW/m2 => 1km x 1km pour efficacité 100% Efficacité des PV ~10 à 20% avec nouvelles technologies ~40% ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 9

  10. Hypothèses 2100 Population = 9 billion Efficacité élevée 100,000 TWh Moyenne de 11 TW ≈ actuel • Area • Solaire = 5,2 million de km2 • = 56% of Canada or US • = 2/3 of Australia • Éolien = 0,6 million km2 • Superficie > France Tout renouvelable • Sources • Solair = 40% • Éolien = 40% • Autres = 20% Source: G. Lafrance, « Vivreaprès le pétrole mission impossible? » Éditions Multimondes, 2007. ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 10

  11. Émissions CO2 IEA World Energy Outlook www.worldenergyoutlook.org ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 11

  12. Impacts climatiques (1) Changements observés: (a) température de surface moyenne; (b) niveau des océans données de gauges marée (bleu) et satellite (rouge); et (c) Couverture neigeuse de l’hémisphère nord pour mars-avril. Toutes les différences par rapport aux moyennes correspondantes pour la période 1961-1990. Les courbes lissées représentent des moyennes sur 10 ans et les cercles sur 1 an. Les zones ombragées représentent une estimation de l’incertitude. IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report (Valencia, Spain, 12-17 November 2007) ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 12

  13. Impacts climatiques (2) United Nations Environment Program SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC)) ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 13

  14. Solair, éolien, biomasse, géothermique, … Faible densité ~ 20 % de la demande mondiale Utilisation intensive du terrain Besoin d’une source propre, abondante et de haute densité Rôle des “renouvelables” LA FUSION ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 14

  15. Réaction D-T E = MC2 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 15

  16. Efficacité ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 16

  17. Équivalence des carburants Quantité de carburant requise chaque année dans différents types de centrales (1000 MW) 0.6 tonne Fusion 1 pick-up truck 150 tonnes 8 semi-trailors Fission 10,000,000 barrils Pétrole 7 super tankers, each of length equivalent to the CN tower Charbon 191 trains de 110 wagons each, for a total length of 400 km 2,100,000 tonnes De « Fusion, energy for the future », National fusion program, 1991 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 17

  18. Réactions de fusion Section efficace élevée 50% 50% Section efficace faible Plus d’autres réactions mais avec des sections efficaces très faibles ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 18

  19. Sections efficaces http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/index.html ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 19

  20. Production de Tritium Le tritium est produit par l’interaction entre les neutrons de fusion et le lithium dans une couverture autour du plasma Le lithium est abondant dans la nature. La concentration moyenne dans la croute terrestre est ~ 0.004% (mass) n + 6Li = He +T + 4.8 MeV n + 7Li = He +T – 2.5 MeV + n Les “consommables” sont le deuterium et le lithium ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 20

  21. Plasma • La matière est ionisée: • électrons (-) et protons (+) • Le taux d’ionisation relié à la température: • Une température élevée implique absence de neutres • Les particules ont des “fonction de distribution ” • Les particules chargées tournent autour des lignes de champ magnétique ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 21

  22. 3 m /sec Taux de réaction D-T T en KeV ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 22

  23. Géométrie toroïdale • Axes: • Toroïdal • Poloïdal • Radial • Propriétés: • Élongation • Triangularité • Rapport d’aspect e = 1/A = a/R q = aBf / RBq= e(Bf / Bq) b = p / (B2 / 2m0) ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 23

  24. Confinement magnétique: Le tokamak Bobines toroidales Circuit primaire Le tokamak fonctionne un transformateur. Une rampe de courant dans le circuit primaire génère un courant constant (plasma) dans le secondaire Courant plasma Circuit secondaire Champ toroidal Champ hélicoïdal Champ poloidal ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 24

  25. Sphéromak (Spherical Tokamak) MAST Coûts réduits Meilleure stabilité (b plus élevé) http://www.ccfe.ac.uk/MAST.aspx ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  26. Stellarator Pas de courant dans le plasma Hélicité fournie par les bobines (couleur cuivre ) 18 des 36 bobines toroidales sont montrées H-1 heliac http://prl.anu.edu.au/H-1NF/plasma_fusion/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  27. Confinement inertiel: LASER • Cibles de quelques mg de DT • Impulsion LASER ~MJ • NIF • Nd:Verre , 500 TW, 1.8 MJ, 0.35 micron (4 MJ, 1.06 micron triplé) • 192 faisceaux • Compression à 200g/cm3 Cross-sectional view of the KOYO-F fast ignition reactor (Norimatsu et al. US-Japan workshop on Power Plant Studies and related Advanced Technologies) Article de revue par S Atzeni, Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  28. National Ignition Facility (NIF) • Nd:Verre , 500 TW, 1.8 MJ, 0.35 micron (4 MJ, 1.06 micron triplé) • 192 faisceaux dans « hohlraum » • « indirect-drive » pour rayons-X Phys. Plasmas 12, 056316 (2005); doi:10.1063/1.1885003 (8 pages) ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  29. Courbes de Gain Les zones grises illustrent les résultats pour le « indirect-drive » avec différentes valeurs de vitesse d’implosion et de température de radiation. Les deux courbes qui délimitent chaque zone résultent de différentes hypothèses du fini de surface de la capsule. Le point noir illustre le concept de base (« baseline design ») de NIF. Le point blanc est pour un concept plus récent Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029 (14pp) ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  30. Géométries magnétique Limiteur Déflecteur TEXTOR TdeV ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 30

  31. Tokamaks existants Source: Pamela-Solano EFDA http://www.toodlepip.com/tokamak/ All-the-World's Tokamaks ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  32. Tokamak - impulsion TOKAMAK Charge du transformateur Chute rapide pour claquage Montée du courant plasma Chauffage Ohmic + auxiliary Plateau, Descente du courant ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 32

  33. alphas Pa Pf neutrons Pn P 2 1 / 2 n a T = R Bilan de puissance SOURCES (i) PERTES (o) Ions 3/2(nTi) Po,i Pi,i Po = Pi Electrons 3/2 (nTe) Po,e Pi,e PR ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 33

  34. = P P P + R i o Temps de confinement(Break-even) Sources = Pertes « Break-even » quand la puissance dans les produits de fusion est équilibrée celle injectée Ceci détermine la condition de « break-even » pour le produit ntE Q = Pf / Pi = 1 P = P i f T t = n 1 E s - 1 / 2 v E a T f 4 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 34

  35. Temps de confinement(Ignition) = Pour l’ignition, l’énergie dans les particules a est “recyclée” et chauffe le nouveau D et T injecté. La réaction de fusion est alors maintenue avec Pi = 0 Q devient infini P P P + a o R ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  36. Temps de confinement ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 36

  37. Résultats De « ContemporaryPhysicsEducation Project » http://FusEdWeb.pppl.gov ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 37

  38. JET: LE TOKAMAK LE PLUS GRAND AU MONDE ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 38

  39. Démonstration Continu Source: Pamela-Solano, EFDA-JET Watkins, JET ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 39

  40. 1985 Sommet de Genève 1986 début 1988-1990 CDA (Conception) US-EU(Canada)-J-FR 1990-1992 intérim 1992-1998 EDA (Ingénierie) US-EU(Canada)-J-FR 1998-2001 EDA 2 (Ingénierie détaillée ) EU(Canada)-J-FR 2001-2002 CTA (technique, négociations) EU-Canada-J-FR 2005 Sélection du site (Cadarache France) 2007-2019 Construction 2019-2036Expérience 2036 Mise hors service ITER : Historique Coûts 8500 M$CAD Construction 8500 M$CAD Expérience <1000 M$CAD Mise hors service http://www.iter.org/proj/Pages/ITERMilestones.aspx ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 40

  41. ITER ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 41

  42. Operation à Q=10 avec fenêtre de paramètres significative pour la longueur d’impulsion cohérent avec les temps caractéristiques. Operation à Q élevé pour implulsions longues. Études des opération continues à Q=5 Atteindre l’ignition controllée conditions ITER : Programme ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 42

  43. AUG JET ITER ITER confinement http://www.tokamak.info/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 43

  44. ITER : Diagnostics ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

  45. ITER aujourd’hui Le 28 février 2009, « ITER Organization » compte 356 employés: 235 professionnels et 121 soutien. Les sept Parties sont représentés parmi les professionnels: 141 de EU,10 de l’Inde,19 du Japon,15 de la Chine,16 de la Coré,17 de la Russie, et17 des États-Unis. • Construction débutée • Achats et contrats alloués http://www.iter.org/newsline/Pages/Archive.aspx ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 45

  46. Défis • Modélisation • Matériaux • Résistance aux charges et chocs thermiques • Activation • Couverture T • Génération (breeding) > 1 • Manipulation robotique • Assemblage • Entretien • Taux de répétition • Confinement inertiel : 1 à 10 coups par seconde pour • Confinement magnétique: décharges de l’ordre de ~1000 sec dans ITER ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 46

  47. Centrale thermonucléaire Scénario de remplacement du carburant fossile liquide: Fusion fourni l’électricité nécessaire à la production de l’hydrogène pour les piles à combustible. De « La fusion thermonucléaire, une chance pour l’humanité », J. Ongena, G. Van Oost et Ph. Mertens, 2001 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 47

  48. CONCLUSION E=mc2 Technologie nucléaire Fission FUSION ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 48

  49. Merci ! boucher@emt.inrs.ca http://claude.emt.inrs.ca ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 49

More Related