La Fusion Quelques références La fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique, Collection du commissariat à l'énergie atomique,Masson (1987) Contemporary Physics Education Project http://FusEdWeb.pppl.gov General Atomic http://FusionEd.gat.com

Plan Pourquoi la Fusion ? Quelles sont les disponibilités ? Même disponibles, quels sont les choix ? Concepts de base Nucléaire Plasma Le TOKAMAK (toroidalnaya kamera magnitnaya) Bilan de puissance Temps de confinement Critère de Lawson Break-even vs Ignition ITER Centrale électrique Problèmes à solutionner Concepts alternatifs

Potentiel estimé des principales ressources non renouvelables EJ (1018 joules) Divisé par le consommation d’énergie annuelle mondiale Consommation d’énergie annuelle mondiale (1986) ~300 1 an Ressources Charbon 1.0 x 105 300 ans Pétrole 1.2 x 104 40 ans Gaz naturel 1.4 x 104 50 ans Uranium 235 (réacteurs à fission) 104 30 ans Uranium 238 et thorium (réacteurs surgénérateurs) 107 30,000 ans Lithium (réacteurs à fusion D-T) Terre Océans 1010 30,000,000 ans

Temperature de réaction Conversion d’énergie Chimique Fission Fusion Réaction C+O2->CO2 n+U235 ->Ba143+Kr91+2n D+T -> He+n Carburant Charbon Oxyde d’Uranium Deutérium et Tritium Temperature de réaction (K) 700 1000 108 Énergie produite (J/kg) 3.3x107 2.1x1012 3.4x1014

Équivalence des carburants 0.6 tonne 150 tonnes 10,000,000 barils 2,100,000 tonnes

Consommation Source: EFDA/JET, UKAEA

Prévisions Population mondiale de 6 milliard aujourd’hui à 8.6 milliard en 2050 et 7.1 milliard en 2100 Croissance économique rapide Scénario A-31% de l’énergie à partir de sources non fossile en 2100 (augmentation à 30 GT CO2) Scénario B-85% de l’énergie à partir de sources non-fossiles (diminution à 4GT CO2)

Besoins Énergétiques 300 200 100 Année 1900 2000 2100 2200 2300 Estimé Consommation Énergétique (Milliards de barils d’huile) 100 Réserves 1900 2000 2100 2200 2300 Année

Climat La photosynthèse sur terre retire approximativement 100 milliards de tonnes de charbon annuellement sous forme de dioxyde de carbone. La respiration des plantes et du sol en retourne 50 milliards de tonnes chacun. La combustion des carburants fossiles et la disparition des forêts génère 5 et 2 milliards de tonnes respectivement. Les processus physicochimiques à la surface des océans libèrent approximativement 100 milliards de tonnes dans l’atmosphère et en absorbent 104. Le gain atmosphérique net est approximativement 3 milliards de tonnes annuellement.

Effet de serre http://yosemite.epa.gov/oar/globalwarming.nsf/content/index.html

Température

Température

Température Énergie solaire bloquée par des sulfates atmosphériques (Radiative Forcing in Watts per Square Meter)

Précipitations

Niveau de la mer Warmer temperatures are expected to raise sea level by expanding ocean water, melting mountain glaciers, and melting parts of the Greenland Ice Sheet. Warmer temperatures also increase precipitation, as described below. Snowfall over Greenland and Antarctica is expected to increase by about 5 percent for every 1°F warming in temperatures. Increased snowfall tends to cause sea level to drop if the snow does not melt during the following summer, because the only other place for the water to be is the ocean. (The amount of water in the atmosphere is less than the water it takes to raise the oceans one millimeter). Considering all of these factors, the IPCC estimates that sea level will rise 9 to 88 cm by the year 2100. A recent EPA study estimated that global sea level has a 50 percent chance of rising 45 cm (1-1/2 ft) by the year 2100, but a 1-in-100 chance of a rise of about 110 cm (over 3-1/2 ft). http://yosemite.epa.gov/oar/globalwarming.nsf/content/ClimateFutureClimateSeaLevel.html

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Réaction D-T

Réactions de fusion Sections efficaces importantes 50% 50% Section efficace petite Plus autres réactions avec des sections efficaces très petites

n + 6Li = He +T + 4.8 MeV n + 7Li = He +T – 2.5 MeV + n Génération du Tritium Le tritium est généré par l’interaction entre les neutrons de fusion et le lithium dans une couverture qui entoure la fournaise. Le Lithium se trouve en quantité abondante dans la nature. n + 6Li = He +T + 4.8 MeV n + 7Li = He +T – 2.5 MeV + n

De Contemporary Physics Education Project Énergies de liaison De Contemporary Physics Education Project http://FusEdWeb.pppl.gov

De Contemporary Physics Education Project Taux de Réactions De Contemporary Physics Education Project http://FusEdWeb.pppl.gov

Taux de la réaction D-T T en KeV m /sec 3

Exemples de Plasmas (I) Soleil 1.35 kW/m2 Vent solaire

Exemples de Plasmas (II) Fluorescents Un plasma d’argon à basse pression (0.01 atm) émet des photons UV (253.7 nm) qui sont absorbés par le phosphore qui ré-émet à plusieurs longueurs d’onde dans le visible (lumière blanche) Phosphore PLASMA Foudre Voltage 108 to 109 V Peak Current 30,000 A Diameter 10 cm Length 5 km Plasma Temperature 3 eV Density 1023 to 1024 % power into visible light 1-3 % power into sound 10-50 % power into heat % power into radio waves

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Géométrie toroidale Axes: Propriétés: Toroidal Poloidal Radial Élongation Triangularité Rapport d’aspect

Géométries Magnétiques Limiteur Déflecteur

Le tokamak Bobines Circuit primaire Le tokamak fonctionne comme un transformateur. Un courant qui varie dans le temps dans l’enroulement primaire induit un courant (plasma) dans le secondaire. Courant plasma Circuit secondaire Champ toroidal Champ hélicoidal Champ poloidal

Tokamak - pulse scenario Décharge TOKAMAK Charge du transformateur Changement rapide pour initier la décharge (processus d’avalanche), plasma formé, montée de courant Chauffage ohmique + Chauffage additionnel Plateau de courant, Fin de décharge

Décharge tokamak Tokamak TEXTOR, FZ-Juelich, Allemagne

Plasma TEXTOR-94

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Bilan de puissance P n a T = Po,i Pi,i Po,e Pi,e PR Pa Pf Pn Po = Pi SOURCES (i) PERTES (o) Ions 3/2(nTi) Po,i Pi,i Po = Pi Électrons 3/2 (nTe) Po,e Pi,e PR alphas Pa P n a T R / = 2 1 Pf neutrons Pn J m3/eV.5 s

Temps de confinement (Break-even) = P P Sources = Pertes + Radiation + i o R ( ) P = h P + P + P i o R f en Joules 3 en sec/m 1 ev º 1 . 60 ´ 10 - 19 Joule

Temps de confinement (Ignition) = P P L’énergie récupérée des a balance les pertes + a o R en Joules 3 en sec/m

Temps de confinement

S = P + P 3 n T L = + P t Stabilité thermique a a = 2 m R = 6 m P = 100 MW i n = 10 20 m - 3 t = 1 , 7 sec E S = P + P i a 3 n T L = + P t R E

De Contemporary Physics Education Project Résultats De Contemporary Physics Education Project http://FusEdWeb.pppl.gov

Source: Pamela-Solano, EFDA-JET Démonstration à date Source: Pamela-Solano, EFDA-JET Watkins, JET Devient en continu

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Etat actuel http://www.iter.org

(International Thermonuclear Experimental Reactor) ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Bonhomme “standard”

Paramètres d’ITER

Tokamaks existants Source: Pamela-Solano EFDA

ITER

Coûts d’ITER

Cédule de construction

Cédule d’Opération

Membres d’ITER Présentation de M. Stewart du 19 mars 2003 (http://www.itercanada.com/)

Sites ITER Présentation de M. Stewart du 19 mars 2003 (http://www.itercanada.com/)

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Centrale électrique thermonucléaire

Recherche Interactions plasma-parois Physique de base Modes avancés Dommages des plaques Durée longues Profils longs Physique de base Transport SOL et déflecteur Modes avancés Plasmas détachés

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Stellarator

Décharge stellarator Large Helical Device (LHD) du NIFS, Nagoya, Japon (http://www.lhd.nifs.ac.jp/)

Confinement Inertiel ECHAUFFEMENT COMPRESSION IGNITION FUSION La capsule de combustible est chauffée rapidement par un faisceau laser intense ou un faisceau de particules de haute énergie Les couches externes se vaporisent rapidement et compriment ainsi la matière au coeur de la sphère à la fin de la phase de compression, la densité et la température ont atteint les conditions d’ignition L’énergie dégagée par les premières réactions de fusion assure la fusion du reste du combustible ECHAUFFEMENT COMPRESSION IGNITION FUSION

Quelques exercices Claude.inrs-ener.uquebec.ca/cours/FusionEng/Exercices.pdf Les solutions seront disponibles sur le site (plus tard)