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Fusion nucleaire &- tokamak. 1.0 Le principe de base 1.1Fusionner des noyaux simples pour en faire des noyaux lourds. 1.2Comment fusionner des noyaux.

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1 Fusion nucleaire &- tokamak

2 1.0 Le principe de base 1.1Fusionner des noyaux simples pour en faire des noyaux lourds. 1.2Comment fusionner des noyaux ? Laspect physique du phénomène. 1.3Le plasma: le quatrième état de la matière. 1.4Les deux procédés étudiés pour la fusion. 2.0 Le confinement magnétique 2.1Idées de confinement: les conditions. 2.2Une trajectoire de champ circulaire: la dérive des particules 2.3Le courant du plasma 2.4La stabilisation du plasma 2.5Une animation de disruption 3.0 Le chauffage du plasma 3.1Les trois méthodes de chauffage 3.2Le chauffage par ondes électromagnétiques 3.3Génération de courant par onde 4.0 Le bilan énergétique 4.1 Le bilan énergétique du plasma

3 1.1 Fusionner des noyaux simples pour en faire des noyaux lourds En fusionnant deux noyaux, nous obtenons un nouveau noyau, plus lourd. Mais sa masse nest pas équivalente à la somme des masses des deux noyaux dorigine. Un peu de masse sest transformée en énergie lors de la réaction de fusion selon la célèbre équation dEinstein: E = m · c 2 De lénergie est dégagée par la fusion. Les travaux de recherches portent actuellement sur la fusion du Deutérium et du Tritium. Equation: D + T n + particule alpha MeV (précisions sur ce chiffre après) Schéma:

4 Afin dinitier une fusion nucléaire, il faut rapprocher assez les deux noyaux quon veut fusionner. Or, ces noyaux étant formés de protons et de neutrons, sont chargés positivement. Leur intéraction électrostatique commune les repousse. Cependant, très près du noyau agissent des forces dattraction nucléaires plus importantes que les forces de répulsion électrostatique. Tout le problème est dapporter assez dénergie cinétique aux antagonistes pour les rapprocher suffisament afin quune réaction de fusion nucléaire ait lieu et restitue de lénergie. 1.2 Laspect physique du phénomène De lénergie cinétique est synonyme de température. En effet, la vitesse des particules est proportionnelle à leur agitation thermique. Il faut donc augmenter la température des particules afin de leur apporter plus de vitesse et leur permettre ainsi de sapprocher les unes des autres.

5 Si nous navons parlé jusquici de noyaux et non datomes, cest que les électrons ne sont plus attachés à leur noyau. Au point précédent, il a été question dagitation thermique des particules. Afin que des réactions de fusion aient lieu, il faut amener les particules à plus dune centaine de millions de degrés (10 8 K). Le terme de ionisation entre en jeu. A partir dune certaine température, les électrons se libèrent de leur orbite atomique et sont libres de voyager seuls. Ainsi on dit que latome se ionise (un ion se dit de tout atome ayant perdu un ou plusieurs électrons). Nous assistons à un mélange de noyaux et délectrons extrèmement chaud. Cest le quatrième état de la matière quon appelle létat de plasma. 1.3 Le plasma: le quatrième état de la matière Le rayonnement solaire provient dune réaction de fusion à lintérieur même du Soleil. Ainsi le Soleil est une sphère de plasma où de la fusion nucléaire senchaîne pour former des éléments toujours plus lourds. La fusion est la source dénergie du Soleil. Ce sont les forces gravitationnelles du Soleil qui confinent sa matière en son centre, très densément ce qui augmente sa température et crée un plasma. Un gaz, à une certaine température, à tendance à occuper le plus grand volume possible. Or sil fait ainsi, sa température diminue. Il en est de même pour le plasma. Mais dans le Soleil, lattraction est si forte que le plasma reste confiné et la fusion continue. Le défi: créer un plasma sur Terre. Cela vous paraît-il possible?

6 La Terre nest de loin pas assez massive pour créer un confinement gravitationnel. Deux autres options sont en vogue. Une option est la fusion inertielle ou fusion par faisceaux. Elle consiste à porter un petit volume de matière à très haute température et à très haute pression pendant un temps assez court. On crée ainsi un plasma temporaire et il faut quun maximum de réaction de fusion aient lieu dès que le plasma se forme. Les inconvénients: Le temps de confinement est très court, de lordre de s Il y a peu de matière à confiner et le rendement du procédé est encore faible. 1.4 Les deux procédés étudiés pour la fusion La seconde option est celle que nous étudierons: la fusion par confinement magnétique. Le principe est encore une fois simple: conserver continuellement, à laide de champs magnétiques intenses, un plasma suffisament chaud et dense pour que la fusion nucléaire ait lieu en son sein même. Il est important de rappeler quun plasma est essentiellement constitué de particules chargées sensibles au magnétisme. Il faut que le plasma soit très dense pour quun maximum de réactions ait lieu. Doù le terme de confinement. Les avantages: Le temps de confinement peut être infini… (les explications plus tard).

7 Soit un plasma (nous nous occuperons plus tard des acteurs chauffant à qui il doit son existence). Ses particules sagitent et se déplacent dans tous les sens tentant de séloigner le plus les unes des autres. Plaçons notre plasma dans un solénoïde ou dans un champ linéaire et faisons passer un courant dans la bobine. Immédiatement, le courant crée un champ magnétique rectiligne et les particules chargées vont senrouler autour des lignes de champs en hélice sans atteindre les parois du solénoïde. Ainsi nous avons un moyen de confiner le plasma au centre de la bobine. 2.1 Idées de confinement magnétique: conditions. Le rayon de Larmor dépend de lénergie cinétique de la particule et de lintensité du champ. Ainsi, si nous voulons confiner davantage notre plasma, il faut augmenter lintensité du champ magnétique. Animation du mouvement dune particule autour dune ligne de champ rectiligne:

8 Mais ça nest pas tout, une bobine a deux extrémités où les lignes de champs se dispersent. Nous nous opposons alors à des pertes des confinement. La solution réside dans le repliement de la bobine pour en faire une bobine toroïdale où les lignes de champs décriraient des cercles et le plasma tournerait en continu. Cest le champ magnétique toroïdal. Nous avons ainsi une technique concrète pour confiner le plasma toroïdalement et continuellement au milieu dune paroi toroïdale (toutefois sans que le plasma ne la touche) 2.1 Idées de confinement magnétique: suite Animation du mouvement dune particule autour dune ligne de champ circulaire:

9 Jusquici, nous avons piégé nos particules en les obligeant à décrire une hélice toroïdale. Cependant, le problème nest pas entièrement résolu. Créé par des bobines plates, le champ magnétique nest pas parfaitement uniforme. Les particules subissent alors sous leffet de forces de Lorentz inconstantes une dérive vers le haut ou le bas suivant leur charge. Et ceci est synonyme de perte de confinement. Le champ magnétique toroïdal seul ne sufftit pas. Il faut concentrer nos idées sur la conception dun champ complémentaire pour parer à cet effet de dérive. Le champ complémentaire sera forcément perpendiculaire au précédent. On lappel le champ poloïdal. Couplé au champ toroïdal, ils créent le champ hélicoïdal quon trouve désormais dans le tokamak. En effet, les lignes de champ deviennent des hélices. c.f schéma ci-contre. 2.2 Une trajectoire de champ circulaire: la dérive des particules Dès lors, imaginons le champ hélicoïdal et plaçons une particule dessus, elle décrit une hélice autour du champ qui est lui meme une hélice. Cependant, nous navons pas parlé de la cause du second champ poloïdal. Des bobines toroïdales créent le champ toroïdal. Des bobines poloïdales créeraient-elles un champ poloïdal? Non…

10 Le plasma se constitue de particules diverses: protons, neutrons, électrons, divers noyaux etc… Or toutes les particules ne vont pas dans la même direction. Admettons que nous leur ayons imposé un sens. Une section du tore quest le plasma verrait alors un débit délectrons. En dautre terme, nous aurions un courant électrique circulaire dans le plasma. Ce courant induirait un champ magnétique poloïdal et cest ce que nous voulons. Mais comment générer un courant dans le plasma? Par induction. Soit un transformateur dont le primaire est un bobinage à courant alternatif et le secondaire est le plasma lui-même. Le noyau en fer du transformateur passe au milieu du tore. Lordre de grandeur du courant passant dans le plasma est le Méga Ampère, 10 6 A. Schéma du transformateur: 2.3 Le courant du plasma

11 Le plasma du tokamak na pas exactement une forme torique. Afin de lui donner la forme que nous voulons et de maintenir ainsi sa stabilité, nous avons recours à des bobines poloïdales placées horizontalement autour du tore. La stabilité du plasma est très importante pour éviter les pertes de confinement. Une petite perturbation non maîtrisée à temps peut saccroître et mener à une disruption, cest à dire une perte totale du confinenement du plasma. Il suffit dune variation partielle du courant induit dans le plasma pour déclencher une disruption. Une disruption a des conséquences sur les parties métalliques entourant le tokamak. Il faut alors sefforcer dutiliser des matériaux non- magnétiques et électriquement isolés. Une disruption implique également la décharge du plasma. Il faut toujours isoler les parties du tokamak avant son utilisation. 2.4 La stabilisation du plasma

12 La partie centrale orange est le centre du plasma confiné et à haute température. Lenveloppe bleue est la périphérie du plasma. Animation dune disruption: 2.5 Une animation de disruption

13 Afin de créer un plasma, nous avons vu quil faut des températures de lordre de centaines de millions de degrés K. 3.1 Les trois méthodes de chauffage Le chauffage ohmique. Leffet joule désigne le dégagement de chaleur de tout courant passant dans un conducteur. Or un courant circule dans le plasma et pour les mêmes raisons que la température dun filament dampoule augmente, le plasma gagne en température sous leffet joule des Méga Ampères qui le traverse. Par analogie avec un fil conducteur, plus la température augmente, plus la résistance augmente et dès lors, la température limite que le plasma peut atteindre grâce à son chauffage ohmique nest que dune dizaine de millions de degrés (dix fois moins que la température requise). Il faut donc dautres méthodes de chauffage pour amener le plasma aux températures de fusion. La deuxième méthode est linjection de particules neutres. Le principe est créer et daccélérer un faisceau dions à travers un intense champ électrique en leur apporter une grande énergie cinétique. Ce faisceau dions à grande vitesse (IGV) est ensuite neutralisé avant dêtre envoyé dans le plasma. La neutralisation est une étape obligatoire car le champ magnétique qui confine le plasma lempêche de séchapper mais il empêche également aux autres particules chargées de sen approcher. Neutres mais très énergétiques, les particules pénètrent sans peine dans le plasma. Les particules neutres entrent dans le plasma et leur multiples collisions avec les autres particules leur cèdent leur énergie cinétique, augmentant ainsi sa température. Lordre de grandeur de lénergie cinétique apportée à des ions positifs de Deutérium est de 100 keV. Au delà, leur neutralisation savère compliquée et il faut passer à des ions négatifs de Deutérium. Avec ces derniers, on peut les neutraliser sans peine même sils ont 1 MeV. Mais leur production est plus délicate. Toutes les recherches se portent actuellement sur leur fabrication.

14 La troisième méthode de chauffage est le chauffage par ondes électromagnétiques. 3.2 Le chauffage par ondes électromagnétiques Cette méthode est un peu plus complexe et demande plus dexplications. Lorsque nous plaçons un plat dans le micro-ondes, les ondes vont agiter les molécules deau lesquelles vont agiter leurs voisines et en somme, nous avons un plat avec une température plus élevée quau départ (heureusement…). Dans toutes les matières et dans ses états (solide, liquide, gaz, plasma) des ondes se propagent dans toutes les directions. Avec le champ magnétique, il importe de diriger correctement londe pour quelle perde en amplitude et cède son énergie au plasma (il serait mal venu que londe gagne en amplitude et prive le plasma de son énergie). Il existe deux principes dabsorption de lénergie de londe. Labsorption cyclotronique et labsorption de type Landau. Dans les cas lintération entre londe et la particule est résonnnte: elles vibrent à même fréquence. Labsorption cyclotronique consiste à créer une onde dont la fréquence est la fréquence de rotation des particules autour des lignes de champ (tours/s). Les différentes particules, électrons ou ions nayant pas la même fréquence de rotation, nous pouvons ainsi accélérer un type particulier de particules. Avec labsorption de type Landau, il faut créer une onde dont la vitesse de propagation correspond à celle des particules.

15 Un des majeurs problèmes des tokamaks est le chauffage des bobines toroïdales en cuivre (assurant le champ toroïdal) et du bobinage primaire du transformateur (induisant le courant du plasma qui induit lui-même le champ poloïdal). Dès quils chauffent trop, il faut stopper leurs courants. Mais dès quon stoppe le courant, les champs magnétiques cessent dexister et il y a une disruption. Les nouvelles technologies privilégient des bobines toroïdales supraconductrices. Ainsi le problème du chauffage ne se pose plus pour le champ toroïdal. Cependant, il reste le bobinage primaire qui induit le courant du plasma. Au lieu de créer dautres aimants supraconducteurs qui coûtent chers, nous avons la possibilité de diriger toroïdalement les ondes que nous envoyons dans le plasma pour quelles aient un effet impulsif sur les particules. La résultante du déplacement global des particules est toroïdale et nous avons un courant. Une autre option serait de diriger de la même manière le faisceau dions pour que les collisions aient également un effet dimpulsion toroïdale sur les particules. 3.3 Génération de courant par onde

16 Un plasma peut gagner de lénergie, il peut surtout en perdre, mais il peut également être stationnaire. Dans ce dernier cas, ses sources doivent être égales à ses pertes. Les sources La partie la plus intéressante du plasma est lénergie que dégage la réaction dune fusion de Deutérium et de Tritium. Les 17.6 MeV dégagés se répartissent selon les « survivants » de la réaction. Ces survivants sont un neutron et un noyau dHélium, la particule alpha. Les neutrons semparent de 80% de lénergie, 14 MeV, alors que les particules alpha nen gardent que le 20%, 3.6 MeV. Malheureusement, les neutrons sont insensibles au champ magnétique et ne restent pas confinés dans le plasma: ils sécrasent dans les parois du tokamak avec leur 14 MeV. Les particules alpha, sensibles, restent confinées dans le plasma et lui cèdent leur énergie. Elles constituent la source interne dénergie du plasma. Les trois méthodes de chauffage constituent la seconde source dénergie du plasma. Les pertes Le rayonnement est la perte majeure dénergie du plasma et il est un danger pour son confinement. 4.1 Le bilan énergétique du plasma

17 Le bilan sécrit comme suit: W = Puissance alpha + Puissance chauffage – Pertes Si le bilan est nul, les sources sont égales aux pertes et notre plasma ne nous fournit pas dénergie que nous puissions utiliser. Appelons Q le facteur damplification Puissance alpha / Puissance chauffage. Sil est inférieur à 1, la puissance des réactions de fusion est inférieure à la puissance apportée par les chauffages (présent) Si ce facteur vaut 1, la puissance des réactions de fusion est égale à la puissance apportée par les chauffages (break even) Sil est supérieure à 1, la puissance des réactions de fusion est supérieure à la puissance apportée par les chauffages (avenir) Le break even est le but actuel des recherches. Q = 1. En dautres termes, le chauffage du plasma est assuré par ses particules alpha. Dans un avenir relativement proche, nous atteindrons létat dignition (allumage). La puissance des réactions de fusions compensera seule les pertes. La puissance extérieure nest plus utile et avons un facteur Q infini. Le plasma est dit « auto- entretenu » et nous aurons notre réacteur de fusion nucléaire. 4.1 Le bilan énergétique du plasma

18 5.1 Des questions?


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