LA FUSION: Source prometteuse d’énergie Claude Boucher

Plan 2 Pourquoi la Fusion ? Pourquoi la Fusion ? Besoins énergétiques Besoins énergétiques Changements climatiques Changements climatiques Concepts de base Concepts de base Réaction nucléaire Réaction nucléaire Filières: Magnétique, Inertiel Filières: Magnétique, Inertiel Le TOKAMAK (toroidalnaya kamera magnitnaya) Le TOKAMAK (toroidalnaya kamera magnitnaya) Bilan de puissance de la fournaise thermonucléaire Bilan de puissance de la fournaise thermonucléaire Temps de confinement Temps de confinement Critère de Lawson Critère de Lawson « Break-even » vs « Ignition » « Break-even » vs « Ignition » ITER ITER Centrale électrique Centrale électrique 2 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

Consommation mondiale 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"3 From BP Statistical Review of World Energy 2008, h ttp:// 462 EJ 1 Mtoe = EJ

Prévision de la demande 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"4 1 Gtoe = 42 EJ IEA World Energy Outlook 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

Carburants fossiles : Rapport entre les réserves et la production (R/P) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"5 De BP Statistical Review of World Energy 2008,

66 Estimation des réserves des principales ressources non renouvelables EJ ( 278 TWhr) (10 18 joules) Durée(années) Consommation mondiale annuelle (2007) ~460 1,a 1 Ressource Charbon 22, b Pétrole 6, b Gaz naturel 5, b Uranium 235 (fission ) 2, Uranium 238 and thorium (surgénérateur) 120, Lithium (D-T fusion) Croute terrestre 30,000 Océans30,000,000 1 Consortium Fusion Expo Europe 2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC ) a a prévisions pour 2050 sont entre 500 et 800 EJ b X 10 incluant sources « non-conventionelles » 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

Renouvelables 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"7 (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

Barrage de Beauharnois 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Puissance : MW Puissance : MW Type : Au-fil-de-l’eau Type : Au-fil-de-l’eau Nombre de turbines : 38 Nombre de turbines : 38 Hauteur : 24 m Hauteur : 24 m Inauguré: Inauguré: Système hydrologique: Fleuve St-Laurence Système hydrologique: Fleuve St-Laurence Réservoir : Lac Saint-François Réservoir : Lac Saint-François Aire du réservoir : 233 km 2 Aire du réservoir : 233 km 2 8

Panneaux photovoltaïques (PV) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"9 1 GWe à illumination solaire maximum de 1kW/m 2 => 1km x 1km pour efficacité 100% Efficacité des PV ~10 à 20% avec nouvelles technologies ~40%

Éolien = 0,6 million km 2 Superficie > France Area Solaire = 5,2 million de km 2 = 56% of Canada or US = 2/3 of Australia Tout renouvelable 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Hypothèses 2100 Hypothèses 2100 Population = 9 billion Population = 9 billion Efficacité élevée 100,000 TWh Efficacité élevée 100,000 TWh Moyenne de 11 TW ≈ actuel Moyenne de 11 TW ≈ actuel 10 Sources Sources Solair = 40% Solair = 40% Éolien = 40% Éolien = 40% Autres = 20% Autres = 20% Source: G. Lafrance, « Vivre après le pétrole mission impossible? » Éditions Multimondes, 2007.

Émissions CO 2 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"11 IEA World Energy Outlook

Impacts climatiques (1) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"12 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 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, November 2007)

Impacts climatiques (2) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"13 United Nations Environment Program SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))

Rôle des “renouvelables” 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Solair, éolien, biomasse, géothermique, … Solair, éolien, biomasse, géothermique, … Faible densité Faible densité ~ 20 % de la demande mondiale ~ 20 % de la demande mondiale Utilisation intensive du terrain Utilisation intensive du terrain Besoin d’une source propre, abondante et de haute densité Besoin d’une source propre, abondante et de haute densité 14 LA FUSION

Réaction D-T 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"15 E = MC 2

Efficacité 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Chimique Chimique Fission Fission Fusion Fusion Réaction C+O 2 ->CO 2 n+U 235 n+U 235 => Ba 143 +Kr 91 +2n => Ba 143 +Kr 91 +2n D+T D+T => He+n => He+n Carburant Carburant Charbon, Pétrole Uranium Deutérium et Tritium Température de réaction Température de réaction (K) (K) Energie produite Energie produite (J/kg) (J/kg) 3.3x x x

Équivalence des carburants 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" tonne 150 tonnes 10,000,000 barrils 2,100,000 tonnes De « Fusion, energy for the future », National fusion program, 1991 Quantité de carburant requise chaque année dans différents types de centrales (1000 MW) Fusion Fission Pétrole Charbon 1 pick-up truck 8 semi-trailors 7 super tankers, each of length equivalent to the CN tower 191 trains de 110 wagons each, for a total length of 400 km

Réactions de fusion 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"18 Section efficace élevée 50% Section efficace faible Plus d’autres réactions mais avec des sections efficaces très faibles 50%

Sections efficaces 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"19

Production de Tritium 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"20 n + 6 Li = He +T MeV n + 7 Li = He +T – 2.5 MeV + n 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) Les “consommables” sont le deuterium et le lithium

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 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

22 Taux de réaction D-T T en KeV m /sec 3 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

Géométrie toroïdale 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"23 Axes: Toroïdal Poloïdal Radial Propriétés: Élongation Triangularité Rapport d’aspect  = 1/A = a/R q = aB  / RB    B  / B    = p / (B 2 / 2  0 )

Confinement magnétique: Le tokamak 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"24 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 poloidal Champ hélicoïdal Circuit primaireBobines toroidales

Sphéromak (Spherical Tokamak) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Coûts réduits Meilleure stabilité (  plus élevé) Courant1,2 Ma Température< 23,000,000°C Durée< 1 second Volume8m³ Densité10 20 m -3 Diamètre~ 3m MAST

Stellarator 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Pas de courant dans le plasma Hélicité fournie par les bobines (couleur cuivre ) 18 des 36 bobines toroidales sont montrées H-1 heliac

Confinement inertiel: LASER 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 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/cm 3 Article de revue par S Atzeni, Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) Cross-sectional view of the KOYO-F fast ignition reactor (Norimatsu et al. US- Japan workshop on Power Plant Studies and related Advanced Technologies)

National Ignition Facility (NIF) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Phys. Plasmas 12, (2005); doi: / (8 pages) 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

Courbes de Gain 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) (14pp) 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

Géométries magnétique 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"30 Limiteur Déflecteur TEXTOR TdeV

Tokamaks existants 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Source: Pamela-Solano EFDA All-the-World's Tokamaks

Tokamak - impulsion 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"32 TOKAMAK Charge du transformateur Chute rapide pour claquage Montée du courant plasma Chauffage Ohmic + auxiliary Plateau, Descente du courant

33 Bilan de puissance P naT R /  212 Ions 3/2(nT i ) Electrons 3/2 (nT e ) P i,i P i,e P o,i P o,e PRPR PiPi P o = SOURCES (i)PERTES (o) PP PnPn neutrons alphas PfPf 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

Temps de confinement (Break-even) 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"34 PP P  io R  PP i f  n T vEaT E f     / 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 n  E Q = P f / P i = 1

Temps de confinement (Ignition) 35 P   P P oR  Pour l’ignition, l’énergie dans les particules  est “recyclée” et chauffe le nouveau D et T injecté. La réaction de fusion est alors maintenue avec P i = 0 Q devient infini 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

36 Temps de confinement 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

Résultats 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"37 De « Contemporary Physics Education Project »

JET: LE TOKAMAK LE PLUS GRAND AU MONDE 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"38

Démonstration 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"39 Source: Pamela-Solano, EFDA-JET Watkins, JET Continu

ITER : Historique 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 1985 Sommet de Genève 1986 début CDA (Conception) US-EU(Canada)-J-FR intérim EDA (Ingénierie) US-EU(Canada)-J-FR EDA 2 (Ingénierie détaillée ) EU(Canada)-J-FR CTA (technique, négociations) EU-Canada-J-FR 2005 Sélection du site (Cadarache France) Construction Expérience 2036 Mise hors service 40 Coûts 8500 M$CAD Construction 8500 M$CAD Expérience <1000 M$CAD Mise hors service

11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"41 ITER

ITER : Programme 11/05/ ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 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 42

43 AUGJET ITER ITER confinement 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

44 ITER : Diagnostics 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

45 ITER aujourd’hui Construction débutée Construction débutée Achats et contrats alloués Achats et contrats alloués 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, et 17 des États-Unis. 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

46 Défis Modélisation Modélisation Matériaux Matériaux Résistance aux charges et chocs thermiques Résistance aux charges et chocs thermiques Activation Activation Couverture T Couverture T Génération (breeding) > 1 Génération (breeding) > 1 Manipulation robotique Manipulation robotique Assemblage Assemblage Entretien Entretien Taux de répétition Taux de répétition Confinement inertiel : 1 à 10 coups par seconde pour Confinement inertiel : 1 à 10 coups par seconde pour Confinement magnétique: décharges de l’ordre de ~1000 sec dans ITER Confinement magnétique: décharges de l’ordre de ~1000 sec dans ITER 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

47 Centrale thermonucléaire De « La fusion thermonucléaire, une chance pour l’humanité », J. Ongena, G. Van Oost et Ph. Mertens, 2001 Scénario de remplacement du carburant fossile liquide: Fusion fourni l’électricité nécessaire à la production de l’hydrogène pour les piles à combustible. 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

48 CONCLUSION E=mc 2 Technologie nucléaire Fission FUSION 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

49 Merci ! 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"