FUSION Réacteur et centrale

Fusion > Sections efficaces 1 barn = 10-28 m2 http://www.nrl.navy.mil/ppd/sites/www.nrl.navy.mil.ppd/files/pdfs/NRL_FORMULARY_13.pdf 2

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

Fusion > Tokamak > impulsion Charge du transformateur Chute rapide pour claquage Montée du courant plasma Chauffage Ohmic + auxiliary Plateau, Descente du courant 4

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 Electrons 3/2 (nTe) Po,e Pi,e PR Pa Pn neutrons alphas Pf P n a T R / = 2 1 5

Fusion > Temps de confinement > Break-even 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 ntE Q = Pf / Pi = 1 P = i o R + P = P i f T n t = E 1 s v E - a T 1 / 2 4 f 6

Fusion > Temps de confinement > Ignition Pour l’ignition, l’énergie dans les particules a est “recyclée” et chauffe le nouveau D et T injecté. La réaction de fusion est alors maintenue avec Pi = 0 Q devient infini P a = o R +

Fusion >Temps de confinement 8

De « Contemporary Physics Education Project » Fusion > Résultats De « Contemporary Physics Education Project » https://fusedweb.llnl.gov/CPEP/Chart_Pages/6.Results.html 9

Fusion > JET LE TOKAMAK LE PLUS GRAND AU MONDE 10

Fusion > Démonstration Continu Source: Pamela-Solano, EFDA-JET Watkins, JET 11

Fusion > Disponibilité de Tritium La disponibilité du Tritium et l’auto-suffisance en approvisionnement sont aussi critiques à la fusion que la démonstration de l’ignition Enjeux “Go-No Go” pour la Fusion: Il n’existe pas de sources pratique de Tritium pour plus de quelques mois d’opération DT . Il n’existe pas d’expérience en fusion pour démontrer la viabilité du cycle DT.

Fusion > Disponibilité de Tritium 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) n + 6Li = He +T + 4.8 MeV n + 7Li = He +T – 2.5 MeV + n Lithium-6 has an atom percent abundance of 7.5% and an atomic mass of 6.015122 amu.  Lithium-7 has an atomic abundance of 92.5% and an atomic mass of 7.016003 amu. Les “consommables” sont le deuterium et le lithium 13

Fusion > Disponibilité de Tritium Consommation Énorme, sans précédent: 55.8 kg pour chaque GW pendant 1 an Production et coûts CANDU: 27 kg en 40 ans: $30M/kg Réacteurs à fission: quelques kg/an, $200M/kg!! (coûts projetés après la fin du T canadien) Plusieurs dizaines de réacteurs sont nécessaires pour alimenter un réacteur à fusion. stocks militaires? Conclusions ITER nécessite la regénération de T. Les réacteurs DT devront produire leur propre T.

ITER > Historique Coûts 8500 M$CAD Construction 8500 M$CAD Expérience <1000 M$CAD Mise hors service 1985 Sommet de Genève 1986 début 1988-1990 CDA (Conception) US-EU(Canada)-J-FR 1990-1992 intérim 1992-1998 EDA (Ingénierie) US-EU(Canada)-J-FR 1998-2001 EDA 2 (Ingénierie détaillée ) EU(Canada)-J-FR 2001-2002 CTA (technique, négociations) EU-Canada-J-FR 2005 Sélection du site (Cadarache France) 2007-2019 Construction 2019-2036 Expérience 2036 Mise hors service 356 ITER Employees As of 28 February 2009, the ITER Organization employs 356 staff members: 235 professional and 121 support. All seven Parties are represented amongst the professional staff: 141 originate from the EU, 10 from India, 19 from Japan, 15 from China, 16 from Korea, 17 from Russia, and 17 from the US. Major delays occurred in the construction of the International Space Station due to cutbacks in funding by the Russian government. A Russian Proton rocket finally launched the first module in November 1998. The module was a Russian-built and United States-funded unit called Zarya or the FGB. Zarya means sunrise in Russian, and FGB stands for functional cargo block. The second module, Unity, was built by the United States. The space shuttle Endeavour carried Unity into orbit in December 1998, and it was then joined to Zarya. Unity has six hatches. One is connected to Zarya, and others serve as connectors for other modules. In July 2000, a Proton rocket launched the Russian-built Zvezda (Star), or Service Module. Zvezda has living and working quarters for astronauts and cosmonauts. In October 2000, the shuttle Discovery carried up several more pieces. Those included a support truss for solar panels and a connecting unit called a Pressurized Mating Adapter (PMA). The PMA provided a docking port for shuttles http://www.iter.org/proj/Pages/ITERMilestones.aspx 15

ITER 16

ITER > Paramètres

Operation à Q élevé pour implulsions longues. ITER > Programme 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 18

ITER > Confinement ITER AUG JET 29 “conventional” tokamaks in operation out of 175 in list (as opposed to “spherical” tokamaks 33 in list, 12 currently operating) http://www.tokamak.info/ 19

ITER > Diagnostics

ITER > Rétention de T Estimé de l’inventaire de T pour différents choix de matériaux. Fig. 7. Tritium inventory in ITER for the all-C (blue line) and all-W options (red line) compared to the initial material choice CFC/W/Be (magenta). In addition, retention values for the option of a full-W divertor and Be first wall are included (black line). The assessment was performed assuming different particle fluxes to different divertor and wall areas: divertor: 3 m2, 2 1024 (D + T)/m2 s, 775 K; 47 m2, 2 1023 (D + T)/m2 s, 500 K; baffle and wall: 750 m2, 1–5 1020 (D + T)/m2 s, 380–440 K. The width of the bands indicates error margins essentially given by uncertainties in the incident wall fluxes. For W also an estimated contribution due to n-damage is introduced. Joachim Roth et al., Jour. Nucl. Matter., 390–391 (2009) 1–9

Flux de neutron ~ 1019 / m2 s pour 500 MW sur 100 m2 ITER > Neutronique Flux de neutron ~ 1019 / m2 s pour 500 MW sur 100 m2 Donc: Dommage Activation 1- different types of radiation might affect living organisms differently => Sv pour effets biologiques, one rem is equivalent to 0.01 SV 2- IFMIF 3-C, Si, Ti, Fe, Cr and V are considered as low activation elements while elements such as Al, Ni, Ag, Co, Nb are some of the high activation materials [3]. 4-1 Bq = 2.70×10−11 Ci 5-1 Bq = 1 s−1 6-Radiation Units There are four measures of radiation that radiographers will commonly encounter. These are: Activity, Exposure, Absorbed Dose, and Dose Equivalent. A short summary of these measures and their units will be followed by more in depth information. Activity: The activity of a radioactive source is defined as the rate at which the isotope decays. Radioactivity may be thought of as the volume of radiation produced in a given amount of time. The International System (SI) unit for activity is the becquerel (Bq) and the curie (Ci) is also commonly used. Exposure:  Exposure is a measure of the strength of a radiation field at some point in air. This is the measure made by a survey meter. The most commonly used unit of exposure is the roentgen (R). Absorbed Dose:  Absorbed dose is the amount of energy that ionizing radiation imparts to a given mass of matter. The SI unit for absorbed dose is the gray (Gy), but the “rad” (Radiation Absorbed Dose) is commonly used. 1 rad is equivalent to 0.01 Gy. Different materials that receive the same exposure may not absorb the same amount of energy. In human tissue, one Roentgen of gamma radiation exposure results in about one rad of absorbed dose. Dose Equivalent:  The dose equivalent relates the absorbed dose to the biological effect of that dose. The absorbed dose of specific types of radiation is multiplied by a "quality factor" to arrive at the dose equivalent. The SI unit is the sievert (SV), but the rem is commonly used. Rem is an acronym for "roentgen equivalent in man." One rem is equivalent to 0.01 SV. When exposed to X- or Gamma radiation, the quality factor is 1. LOW ACTIVATION MATERIAL CANDIDATES FOR FUSION POWER PLANTS, C.B.A. Forty and N.P. Taylor,

ITER > Érosion Ginp : Taux d’injection de gaz PPFR : Pression dans les déflecteurs qpk : Flux de chaleur maximal sur les plaques Zeff : Charge effective Vout : Vitesse radial au SOL extérieur In this paper improved estimates of the ITER first wall erosion due to fast neutral particles based on the current state-of-the-art of B2-EIRENE modelling have been presented. The calculated effective sputtering yields coincide within a factor of 2 with relevant estimates available in the literature which is within the uncertainty of the sputtering data. The only exception is the W sputtering calculated using a fluid (rather than kinetic) neutral transport model. In this latter case the effective sputtering yield is two orders of magnitude smaller than in the present paper. Phys. Scr. T138 (2009) 014020 (4pp), V Kotov, D Reiter, A S Kukushkin and H D Pacher

ITER > Choix de matériaux Nombre de décharges requises pour atteindre la limite de sécurité pour l’érosion, la création de poussière et l’inventaire de tritium. Fig. 8. Number of discharges required for reaching the safety limits due to erosion, dust generation and tritium inventory for the four material options for ITER. The origin of the error margins for each process is given in the text. Joachim Roth et al., Jour. Nucl. Matter., 390–391 (2009) 1–9

Achats et contrats alloués ITER > aujourd’hui Construction débutée 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. 25

ITER > Défis Modélisation Matériaux Couverture T Résistance aux charges et chocs thermiques Activation Couverture T Génération (breeding) > 1 (Pour toutes les filières) Manipulation robotique Assemblage Entretien Taux de répétition Confinement inertiel : 1 à 10 coups par seconde pour Confinement magnétique: décharges de l’ordre de ~1000 sec dans ITER Durée des décharges dans DEMO? Continue à 1,500 MW de fusion = 500 MWe? 26

Fusion > « To Do List »

ITER vs DEMO

Centrale thermonucléaire Scénario de remplacement du carburant fossile liquide: Fusion fourni l’électricité nécessaire à la production de l’hydrogène pour les piles à combustible. De « La fusion thermonucléaire, une chance pour l’humanité », J. Ongena, G. Van Oost et Ph. Mertens, 2001 29