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2006Christophe, Romain ITER la nouvelle génération de réacteur nucléaire.

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1 2006Christophe, Romain ITER la nouvelle génération de réacteur nucléaire

2 2006Christophe, Romain Evolution de nos besoins énergétiques Le développement de l'humanité nécessite des ressources énergétiques. Les besoins énergétiques vont continuer d'augmenter Le 21ème siècle = siècle de forte demande énergétique aux niveaux quantitatif : au minimum un doublement qualitatif : accès du plus grand nombre à l'énergie "commerciale". - l'augmentation de la population mondiale - 6 milliards en milliards en l'augmentation des besoins énergétiques des pays en voie de développement.

3 2006Christophe, Romain Evolution de nos besoins énergétiques Le développement de l'humanité ne peut se faire sans ressources énergétiques. Toutes les prospections économiques montrent que les besoins énergétiques vont continuer d'augmenter. Cette augmentation dont l'amplitude a deux causes principales : Le 21ème siècle sera un siècle de forte demande énergétique, aussi bien au niveau quantitatif (au minimum un doublement) que qualitatif (accès du plus grand nombre à l'énergie "commerciale"). - l'augmentation de la population mondiale qui devrait passer de 6 milliards en 2000 à 10 milliards en l'augmentation des besoins énergétiques des pays en voie de développement. - La consommation totale d'énergie dans le monde est de l'ordre de 8.5 milliards de tonnes équivalent pétrole (Gtep). Suivant les scénarios, elle sera comprise entre 20 et 40 Gtep en La croissance de la demande en électricité sera vraisemblablement encore plus forte (augmentation d'un facteur 2.5 à 3.5 d'ici 2050).tonnes équivalent pétrole

4 2006Christophe, Romain Nos ressources énergétiques sépuisent Les combustibles fossiles couvrent de nos jours environ 85% des besoins en énergie primaire et environ les 2/3 pour la production d'électricité. Les réserves connues en combustibles fossiles sont limitées à : environ 40 ans pour le pétrole environ 60 ans pour le gaz environ 220 ans pour le charbon Leur consommation pose en plus des problèmes environnementaux (effet de serre) dont l'importance est un sujet de préoccupation grandissante.effet de serre Différents scénarios prévoient la dominance du gaz dans un première partie du 21éme siècle, puis de l'énergie nucléaire puis de l'énergie de fusion à l'horizon Quelle source dénergie pour demain ?

5 2006Christophe, Romain Comment produire de grandes quantités dénergie ? Pour produire de l'énergie, il faut réaliser une transformation dans laquelle, entre l'état initial et l'état final, un peu de la masse des corps en jeu a disparu. Fusion de deux noyaux légers Fusion de deux noyaux légers Fission d'un noyau lourd Fission d'un noyau lourd Deux grands types de réactions nucléaires libérant de l'énergie sont possibles : Ce défaut de masse se retrouve alors sous forme d'énergie par la formule bien connue E=mc2 où E est l'énergie produite, m la masse disparue et c la vitesse de la lumière. - A partir de noyaux d'atomes très légers (exemple le deutérium et le tritium) pour construire des atomes plus lourds, c'est la fusion. - A partir du noyau d'un atome suffisamment lourd (par exemple l'atome d'uranium) pour en faire des atomes plus légers, c'est la fission.

6 2006Christophe, Romain Quest-ce que la fusion peut apporter à lhumanité ? Cest une formidable source dénergie ! 1)Le « carburant » est inépuisable. En effet le lithium est présent dans la croûte terrestre en énorme quantité et le deutérium est présent dans tous les points deau. Par exemple, 1 kg de deutérium et 10 kg de lithium suffisent pour produite 1000 MW… un réacteur nucléaire ayant lui besoin de 500 kg duranium et une centrale thermique de 5000 tonnes de fuel ou tonnes charbon. 2)Cest une réaction peu dangereuse car il suffit de baisser la température pour stopper la réaction : tout emballement est ainsi exclu. 3) Peu de déchets radioactifs sont émis : 90% dentre eux ont une durée de vie assez courte.

7 2006Christophe, Romain Lors du Sommet de Genève en Novembre 1985, l'Union soviétique propose de construire la prochaine génération de tokamak* sur la base d'une collaboration intégrant les quatre partenaires majeurs du programme "fusion". ITER : un projet issu dune collaboration planétaire En octobre 1986, les États-Unis, l'Europe et le Japon répondent favorablement à cette proposition. Le projet ITER est né et il regroupe sous les auspices de l'Agence Internationale de l'Énergie Atomique (AIEA ) quatre participants : les USA, le Japon, la Russie et l'Europe (à laquelle est associée le Canada). ITER est donc la première installation expérimentale conçue via une collaboration scientifique à l'échelle planétaire.

8 2006Christophe, Romain Quest-ce que le tokamak ? Le tokamak est un réacteur conçu pour contenir le plasma. Le tokamak a été construit en forme de tore (anneau circulaire) pour que le plasma soit toujours en mouvement. Combiné avec les champs magnétiques intenses, cela permet de réduire la températures aux parois dITER car aucun matériaux terrestre ne peut résister à la température régnant à lintérieur du réacteur. Le deutérium et le tritium à fusionner est alors enfermé à l'intérieur de parois immatérielles créées par des champs magnétiques. Cest un courant qui allume le plasma contenue dans le réacteur. Le complément de chauffage se fait par onde ou faisceaux de particules (cela représente 40 mégawatts dans ITER).

9 2006Christophe, Romain Comment fonctionne le tokamak ? A) Les différentes étapes de fonctionnement : 1° Le réacteur est alimenté par des isotopes de lhydrogène: Un mélange de deutérium et de tritium est envoyé sous forme de glaçon dans le tore. Sous leffet de la chaleur ce gaz vat passer à létat de plasma : les noyaux deviennent alors indépendants, et acquièrent des vitesse extrêmes se heurtant 2° A 100 millions de degrés la réaction se déclenche: Des bobines magnétiques créent un champ pour donner au plasma sa forme toroïdale, tandis que dautres le repousse au loin des parois. La température est portée à 100 millions de degrés à laide dinjections datomes et dondes. La réaction à alors lieu 3°La chaleur récupérée produit de énergie: Un circuit de refroidissement complexe, déployé dans la paroi : du réacteur récupère la chaleur émise lors de la réaction. Cette chaleur émise est ensuite transformée en électricité, comme dans nimporte centrale classique. Le réacteur ITER aura pour objectif de produire 500 mégawatts de chaleur pour 50 mégawatts dénergie fournie

10 2006Christophe, Romain Comment fonctionne le tokamak ? B) Coupe schématique dun tokamak

11 2006Christophe, Romain Comment fonctionne le tokamak ? C) Le système magnétique dITER ITER contient des aimants que lon peut classer en deux catégories distinctes:les bobines du champ poloïdal (6), et les bobines du champ toroïdal (comprenant le solénoïde centrale Un des aimants dITER Champ poloïdal Champ toroïdal

12 2006Christophe, Romain Qu'est-ce que la fusion ? La fusion est le mariage de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux de taille moyenne (entre l'hélium et le fer). Elle s'accompagne d'une très forte libération d'énergie. Cette réaction est difficile à obtenir car la force nucléaire forte, qui attire et lie les nucléons, n'agit qu'à très faible distance alors que la force électrique crée en quelque sorte une barrière répulsive qui empêche les noyaux des atomes chargés positivement de s'approcher assez près les uns des autres. La fusion est le mariage de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux de taille moyenne (entre l'hélium et le fer). Elle s'accompagne d'une très forte libération d'énergie. Cette réaction est difficile à obtenir car la force: nucléaire forte, qui attire et lie les nucléons, n'agit qu'à très faible distance alors que la force électrique crée en quelque sorte une barrière répulsive qui empêche les noyaux des atomes chargés positivement de s'approcher assez près les uns des autres. Les noyaux des atomes doivent fusionner, - mais les noyaux comportent des nucléons dont les protons, - mais deux charges (protons) de même signe se repoussent Les noyaux des atomes doivent fusionner, - mais les noyaux comportent des nucléons dont les protons, - mais deux charges (protons) de même signe se repoussent La Fusion nucléaire datomes nécessite des conditions physiques extrèmes de température et de pression qui nexistent quau coeur des étoiles. Il faut des installations gigantesques pour récréer ces conditions physiques extrèmes

13 2006Christophe, Romain Qu'est-ce que la fusion ? Pour que les noyaux fusionnent, il faut vaincre cette force électrique de répulsion : -il faut augmenter la température pour augmenter la probabilité de choc et donc de fusion (dans le soleil : plusieurs millions de dégrés)

14 2006Christophe, Romain Les contraintes de la fusion Les températures requises pour la fusion thermonucléaire dépassent la centaine de millions de degrés ! A de telles températures, les électrons se sont détachés complètement du noyau ; on dit que l'atome s'ionise et l'on entre alors, dans le quatrième état de la matière, l'état de plasma. Il nexiste pas de parois matérielles capables de supporter de telles températures : on utilise des champs magnétiques pour retenir la matière sur laquelle se produit la réaction. Les Tokamaks, inventés dans les années soixante par les Russes utilisent ce principe. A noter que les 20 millions de degrés furent atteints à Tore Supra entre 1973 et Et le Joint Européan Torus (JET) a atteint brièvement les 300 millions de degrés.

15 2006Christophe, Romain La fusion sur Terre L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie. L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie. Il a réussi à maîtriser celles-ci dans les bombes nucléaires de type H mais pas encore pour produire l'électricité. L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie. Il a réussi à maîtriser celles-ci dans les bombes nucléaires de type H mais pas encore pour produire l'électricité. Pour une application civile de la fusion, la réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium qui s'agglomèrent en donnant un noyau plus lourd, celui de l'hélium. Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux pour augmenter la probabilité qu'ils se rencontrent, l'homme se heurte à de nombreuses difficultés techniques.

16 2006Christophe, Romain Comment réaliser la fusion sur Terre ? La voie de recherche la plus prometteuse et la plus étudiée consiste à maîtriser à très haute température un plasma confiné dans une boîte immatérielle en forme danneau créée par des champs magnétiques. On parle de « confinement magnétique ». Plusieurs boîtes de ce type existent, la plus performante sappelle Tokamak, acronyme de Toroidalnaya Kamera Magnitnymi Katushkami (chambre magnétique toroïdale, en russe). Iter sera le plus grand Tokamak du monde. Le volume de son plasma sera de 800 m3. En comparaison, le plus grand Tokamak actuel, le JET a un plasma de 80 m3, et celui de Tore-Supra à Cadarache (France) de 25 m3.

17 2006Christophe, Romain ITER en FRANCE Dans le sud de la France à Cadarache Une installation pilote pour : - démontrer la faisabilité scientifique de la fusion - valider les technologies développées pour la fusion L'objectif de la machine ITER est de démontrer la faisabilité scientifique de la Fusion, en réalisant une combustion contrôlée, et marginalement l'ignition, pendant une durée suffisante pour obtenir des conditions stationnaires dans tous les domaines caractérisant un plasma et son interaction avec les parois. Pour cela l'installation produira 500MW de puissance de fusion, sur une durée de 400 secondes.ITERFusion

18 2006Christophe, Romain Un réacteur de plus ? Le Tokamak Tore-Supra (Cadarache, France), le seul grand réacteur ayant des aimants supraconducteurs, a quant à lui réalisé, le 18 septembre 2002, une décharge record en terme de durée : 4 min et 25 s contre seulement quelques secondes pour le JET. Le but du programme Iter est de dépasser ces résultats très préliminaires et de réunir toutes les technologies développées aux quatre coins du monde afin de construire un réacteur commercialisable. Un projet moins ambitieux Le projet Iter de 1988 devait permettre datteindre le point de fusion

19 2006Christophe, Romain ITER, un projet ambitieux? Un projet moins ambitieux Le projet Iter de 1988 devait permettre datteindre le point dignition, cest-à-dire le moment où la machine produit suffisamment dénergie pour auto-entretenir la réaction de fusion. Mais considéré comme trop cher, ce projet a été revu à la baisse : dune machine capable de produire MW dénergie de fusion pendant secondes, le réacteur proposé aujourdhui ne produira que 400 à 500 MW pendant 400 secondes. Un projet plus modeste qui a permis de diviser le budget par deux.

20 2006Christophe, Romain Expérience ITER : conclusion


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