L’Energie Nucléaire et son Avenir Vers une ère du nucléaire: ITER, le futur du nucléaire ? 1S6 – 19 Mars 2013 Bénéteau | Bouvier | Holuigue | Lamu Maîtriser la fusion nucléaire pour produire de l'électricité commerciale est un vieux rêve qui se heurte à des difficultés scientifiques et techniques considérables. ITER, ou, en latin, « itinéraire », est un très grand instrument de recherches qui tentera de résoudre des problématiques liées à la fusion nucléaire. A l'heure où le réchauffement climatique s'accélère et où il est urgent de remplacer tous les combustibles fossiles (pétrole, gaz et charbon) par une énergie propre et suffisamment abondante, la priorité est-elle de se payer un instrument de recherches qui ne peut pas déboucher sur des applications avant le 22ième siècle ?

Plan 1. Quelques dates 2. La fusion nucléaire 3. Des difficultés techniques résistance des matériaux stabilité du plasma 4. Un coût non négligeable ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor): Un instrument de recherche pour tenter de maîtriser la fusion nucléaire.

Quelques dates Quel est l’itinéraire de ITER ?

Novembre 1985: Le sommet de Genève M. Gorbatchev propose à R. Reagan, après concertation avec F. Mitterrand et M. Thatcher, la construction d’ITER. Les USA acceptent. Lors de leur première rencontre au sommet à Genève au mois de novembre 1985, le Président américain Ronald Reagan et le Secrétaire général du Parti communiste d'Union soviétique, Mikhaïl Gorbatchev décident de lancer une initiative internationale pour développer l'énergie de fusion... «une source d'énergie inépuisable dont bénéficiera l'ensemble de l'humanité». C’est un signe politique de la détente qui propose un objectif commun à la planète et qui serait un symbole de paix. Ainsi, ce n’est pas au départ une initiative des scientifiques, mais des politiques.

Octobre 1986: Le sommet de Reykjavik L’Europe et le Japon rejoignent le projet ITER. Lors du sommet États-Unis/URSS qui se tient à Reykjavik (Islande) les 11 et 12 octobre 1986, l'Union européenne (Euratom), le Japon, l'Union soviétique et les États-Unis conviennent de poursuivre ensemble les études de conception d'une grande installation de fusion internationale, le Réacteur thermonucléaire expérimental international ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).

1998-2003: Globalisation du projet Les USA quittent ITER mais reviennent en 2003 avec la Chine et la Corée du Sud, puis l’Inde et la Suisse. En Décembre 1998, préoccupés par le coût prévisionnel du programme, les États-Unis se retirent du programme ITER. Le site ITER de San Diego ferme. En Novembre 2001, à la suite des réunions préparatoires qui se sont tenues à Vienne et à Moscou, au cours desquelles le Canada a présenté sa proposition d'accueillir ITER, les délégations des partenaires se réunissent à Toronto le 8 novembre 2001 pour un "Joint Implementation Meeting". Les négociations de Toronto sont les premières d'une longue série qui aboutira à un accord de mise en œuvre concertée du programme ITER. En Janvier 2003, la Chine demande officiellement à rejoindre le programme ITER le 10 janvier 2003. Le 30 janvier, les Etats-Unis annoncent leur retour dans le programme ITER. La Corée lui emboîte le pas six mois plus tard. On peut dire qu’ITER est alors une véritable dimension internationale.

Juin 2005: Cadarache choisi à l’unanimité Le site de Cadarache est choisi. En contrepartie, le Japon obtient: la direction générale d’ITER (aujourd’hui Monsieur Osamu Motojima) et la construction future de IFMIF, Institut de recherche sur les matériaux sous irradiation au Japon. Le 28 juin 2005, à l'issue de négociations politiques au plus haut niveau, le site de Cadarache est officiellement choisi pour accueillir ITER. La décision, formalisée lors d'une réunion ministérielle organisée à Moscou, fait suite à un accord entre l'Europe et le Japon qui définit les modalités de partage des coûts ainsi que l'« approche élargie », un ensemble de programmes de développement complémentaires qui seront mis en œuvre au Japon en soutien d'ITER et pour préparer DEMO, l'installation qui lui succédera.

Novembre 2006: Accord signé Signature de l’accord à Paris. Le Conseil intérimaire d’ITER se réunit dans l’après- midi. L'Accord ITER est signé le mardi 21 novembre 2006 au palais de l'Élysée, à Paris, en présence du Président français Jacques Chirac, du Président de la Commission européenne José Manuel Barroso et de quelque 400 invités, parmi lesquels d'éminents représentants des partenaires d'ITER et des États membres de l'Union européenne. Dans l'après-midi, le Conseil intérimaire d'ITER (ITER Interim Council, IIC) se réunit pour la première fois.

Le chantier de construction d'ITER qui a été lancé en 2010 devrait s'achever en 2019. Viendra ensuite une phase de tests durant laquelle il faudra s'assurer que tous les systèmes fonctionnent de manière coordonnée et préparer la machine pour réaliser le premier plasma en novembre 2020. La phase d'exploitation devrait durer vingt ans. Lors d'une période de mise en route qui s'étendra sur plusieurs années, la machine ne mettra en œuvre que de l'hydrogène et demeurera accessible pour les interventions de réparation. En 2027, ce sera le début de la consommation de combustibles avec des tests à des températures plus ou moins élevées. En 2040, ce sera la fin d’ITER.

La fusion nucléaire Un vieux rêve de l’Homme…

La fusion nucléaire Fusion nucléaire: réaction physique entre deux noyaux d’atomes légers qui s’unissent pour donner un noyau d’atome lourd et un neutron Maîtriser la fusion nucléaire de deux isotopes de l’hydrogène: le Deutérium (D ou 2H) le Tritium (T ou 3H) Ce qui produit un neutron n de grande énergie (14,1 MeV) et un noyau d’hélium 4 stable (particule alpha) de 3,5 MeV.  1 mole (3g de T) produirait 1011 J 1 réacteur qui brulerait 60 kg de T par an (7 g/h) pourrait donc produire 5 GW > 3 EPR.  Electricité pour 5 millions de français moyens sans déchets radioactifs. La fusion thermonucléaire est présentée comme une source d’énergie potentiellement inépuisable et non polluante. A l’origine de l’énergie du soleil, elle est également celle de l’énergie rayonnée par toutes les étoiles. Depuis la fin des années 50, le monde scientifique, en particulier en Europe, s’est engagé dans ce programme de recherche particulièrement complexe. La fusion est une réaction nucléaire entre deux noyaux d’atomes légers qui s’unissent pour donner un atome plus lourd tout en libérant un neutron. ITER cherche la maîtrise de la fusion nucléaire via deux isotopes de l’hydrogène: le deutérium et le tritium: cela produit un neutron (n sur le graphique) de grande énergie et un noyau d’hélium 4 stable (ou particule alpha). Ce neutron peut être utilisé pour la production de tritium. En effet, la réaction de fission du lithium 6 (Z=3) avec un neutron se désintègre en un noyau d’hélium 4 et un noyau de tritium. 1 réacteur qui brûlerait 60 kg de tritium par an (ou 7g par heure) pourrait donc produire 5GW, soit l’énergie équivalente à 3 EPR (réacteurs de 1600MW. C’est, après les pertes liées à la transformation en électricité, l’équivalent de l’électricité consommée par 5 millions de français moyens, sans production de déchets radioactifs. ITER est un grand instrument de recherche expérimentale qui vise à démontrer qu’elle peut, pendant 6 minutes, produire 500 MW d’énergie en n’en consommant que 50 (dix fois moins).

Image pour mieux appréhender la fusion Petite énergie Grande énergie Vous avez ici une image pour mieux appréhender la fusion nucléaire. En effet, d’après la loi de Coulomb, deux corps ayant la même charge se repoussent. Il y a donc un problème vu qu’un noyau comporte les charges positives d’un atome donc logiquement, deux noyaux d’atomes devraient de repousser. Le secret de cette réaction vient de la force que l’on apporte pour que cette fusion soit possible. [description animation] En effet, d’après la loi de coulomb ; deux corps ayant la même charge se repoussent. Il y a donc un problème vu qu’un noyau comporte les charges positives d’un atome donc logiquement, deux noyaux d’atomes devraient de repousser, or lors de la fusion nucléaire, ce n’est pas le cas. Le secret de cette réaction vient de la force que l’on apporte pour que cette fusion soit possible. C’est pourquoi pour démarrer une réaction de fusion nucléaire, on utilise un accélérateur de particule (tube en boucle qui pousse les atomes à s’entrechoquer grâce à un confinement magnétique qui les repousse, et en faisant tourner les atomes dans des sens contraires). Dans lequel se trouve un plasma (matériaux porté à un autre état de la matière à très forte temperature-150 millions °C) Bien sûr, il faut que le nombre d’atomes en rotation soit énorme pour que des atomes aient la possibilité de se rencontrer dans 840 m3 de tuyaux. En s’entrechoquant, ces particules se fusionnent mais perdent de la masse en plus d’un neutron. Or d’après la loi d’Einstein E=m*c² on sait désormais que la masse perdue lors de ces réactions se transforment en énergie. Cette énergie est alors convertie en chaleur qui ira chauffer de l’eau comme dans un REP normal.

Difficultés scientifiques et techniques ITER est soumis à d’importants obstacles technologiques

1. Gérer la flamme plasma Produire plus d’énergie que celle consommée Nécessité de faire passer le flux d’atomes à l’état de plasma 150 millions de degré Maîtriser la flamme plasma Confinement dans un champ magnétique en forme d’anneau (tokamak) Le plasma est instable Injection d’argon et de néon Production d’un flash de mille milliards de watts Actuellement la fusion nucléaire a été déjà maîtrisée mais ces réactions ont consommé plus d’énergie qu’elles n’en ont apporté.(1) En clair, les scientifiques n’ont pas apporté suffisamment d’énergie pour en produire d’avantage. C’est pourquoi il est nécessaire de faire passer le flux de deutérium et de tritium à un 4e état de la matière supérieur à l’état gazeux, c’est l’état de plasma. Il se forme alors une flamme plasma de deutérium et de tritium. Mais, il faut que le réacteur atteigne 150 millions de degré Celsius ce qui représente 10 fois la température à l’intérieur du Soleil. De plus, il faut pouvoir contrôler la flamme,(2) on va donc créer un champ magnétique dans le réacteur, comme le fait un aimant, afin de repousser le plasma dans le centre du réacteur et le confiner. Il existe encore un problème, c’est que la flamme plasma est instable(3), c’est-à-dire que la répartition de ses charges électrique est asymétrique dans ce cas le champ magnétique ne joue plus son rôle et le plasma pourrait dévier de sa trajectoire avant de rencontrer les parois du réacteur en les endommagent gravement. La nouveauté que présente le projet ITER par rapport aux anciens est qu’il va tenter de résoudre ce problème en injectant de l’argon et du néon. Cela va former flash lumineux de mille milliards de watts, c’est-à-dire la puissance électrique apportée aux Etats-Unis en instantané.

Photographies de Juin 2008 d’une inspection intérieure du tokamak de l’illustre site de Los Alamos, où a été en partie effectué le projet Manhattan. Nous pouvons voir des parties fondues du réacteur le plus probablement dû à des disruptions.

2. Maîtriser les neutrons Emission de neutrons Il s’agit de « neutrons rapides » 14 MeV : une énergie cinétique très importante Des neutrons jamais manipulés Comment les contrôler ? Possibilité de collision avec les parois du réacteur Arrêter le réacteur Perte financière Lors de la réaction de fusion nucléaire, des neutrons sont émis. (1) Mais, ces neutrons possèdent une énergie très élevée à cause de leur vitesse. C’est pourquoi ils sont appelés « neutrons rapides ». En effet, ils possèdent une énergie de 14 mégaélectronvolt, c’est-à-dire environ 12 fois moins que pour soulever une pomme de 100g de 1 mètre au dessus de la surface de la terre ce qui est très important. Le problème étant que les scientifiques n’ont jamais manipulé des neutrons d’une telle énergie(2) et ne savent encore pas comment les contrôler.

De plus, l’entrée en collision de ces neutrons avec les parois du réacteur provoque une quantité non négligeable de déchets radioactifs et endommage les parois. Ainsi, il faudrait arrêter le réacteur régulièrement et utiliser des robots en conditions radioactives pour réparer ces parois d’une surface d’environ 5000m², ce qui ne devrait toutefois pas être un problème pour ITER étant donné le peu de temps qu’il fonctionnera, mais devrait être problématique néanmoins pour la mise en série des réacteurs commerciaux. Cette image est du Khripunov et al. Kurchatov Institute et a été prise en Mai 2009. 10 dpa = 10 déplacements par atome

Quel coût pour ITER ? Le projet requiert une somme d’argent non négligeable…

Le coût d’ITER a triplé en 2010 Coût de construction sur 10 ans: passé à 13 G€ en 2010 au premier coup de pelleteuse (initialement 4.7 G€), dont Europe 45%  contribution de la France de 20%: 2.6 G€ (dont région PACA fournit la moitié environ) Le projet ITER coutera 13 milliards d’euros et sa construction durera 10 ans. La France s’est engagée à financer 20 % (2,6 Milliards d’euro) du projet, l’Europe 45 %. Et le reste par d’autres pays dans le monde comme les USA, la Chine, Le japon, La Corée du sud, l’inde et la suisse.

Raisons du triplement La réévaluation de la part européenne (45%) passe de 2.7 (estimation en euros 2000) à 6.6 milliards d'euros. Causes multiples : prix des matières premières (facteur 2 à 3 pour l'acier, etc. sur 2001-2010) ; coûts de construction de bâtiments : le coût de construction de bâtiments similaires sur d'autres projets a presque doublé ces dernières années ; Le coût était basé sur des estimations 2001, pour une machine "générique" qu'il a fallu adapter au site de Cadarache ; Le "retour d'expérience" des machines de fusion en opération dans le monde entre 2001 et 2010 a été intégré dans ITER, générant des améliorations qui n'avaient pu être anticipés il y a dix ans. Augmentation du volume et de la surface des bâtiments ; Revue globale détaillée du projet en 2008 qui a conduit à inclure de nouveaux éléments dans la conception ; Ajouts de pièces de rechange À l’origine, le projet ITER aurait dû couter 4,7 milliards d’euros. Mais la hausse du prix des matières premières (multiplié par 3), le cout de construction (multiplié par 2), les modifications du projet dû à un retour d’expérience, un renforcement des normes de sécurité entrainant une augmentation de la surface nécessaire ainsi que l’ajout de pièces de rechange ont plus que doubler le prix de base.

Comparaison… Secteur industriel ou militaire de l’énergie: bénéfices nets de TOTAL: 13 G€ / an = 1 ITER par an Troisième guerre du Golfe (2003-2011) : 800 G€ = 60 fois ITER À titre de comparaison, le projet ITER correspond au prix de 32 Airbus A380 (403,9 Millions/pièce) ou à environ 2,5 millions d’iPhone 5. Le prix du projet ITER correspond aussi au bénéfice net du groupe Total.

Pourquoi ITER, alors ? l’intérêt scientifique d’ITER pour la physique des plasmas est non-nul la véritable justification est d’ordre économique : produire peut-être de l’énergie au 22ième siècle une recherche très prospective à financer sur des budgets publics ou privés du secteur de l’énergie, pas sur les budgets de recherche publique de l’Europe (FP7) , de la France ou de PACA. Ce coût est jugé nécessaire pour produire l’électricité de demain. Cette recherche n’est pas financée par les budgets de la recherche, mais par le secteur de l’énergie (et donc des entreprises telles qu’EDF) cela retombe donc directement sur le consommateur et le contribuable français et de la région PACA.

Conclusion La construction semble irréversible Espérer qu’ITER fonctionnera D’autres voies auraient pu être appuyées… 4ième génération de réacteurs nucléaires à fission stockage de l’électricité pour sources intermittentes (solaire) La construction étant bien avancée, faire machine arrière n’aurait aucun intérêt. Les chercheurs ont placé beaucoup d’espoir dans le projet ITER, mais restent à savoir si le réacteur ITER va fonctionner. Ce projet est un peu trop avant-gardiste. En effet, développer les réacteurs de génération IV ou libérer plus de fonds pour les technologies de stockage de l’électricité aurait pu être plus intéressants. ITER est donc pensé pour fournir l’électricité au XXIIe siècle alors qu’il reste encore, au XXIe siècle, des pays qui n’ont toujours pas d’électricité en continu.