(b) la fusion thermonucléaire contrôlée Le nucléaire du futur: (b) la fusion thermonucléaire contrôlée D. Pesme Colloque énergie Perpignan 12/02

Plan/résumé 1. Caractéristiques des études sur la fusion: -objectif motivant mais lointain -les deux filières: magnétiques et inertielles -verrous scientifiques et technologiques 2. Place de la communauté CNRS dans ces programmes: -physique amont -CEA partenaire 3. Les projets du GAT

Plan/résumé 1. Caractéristiques des études sur la fusion: -objectif motivant mais lointain -les deux filières: magnétiques et inertielles -verrous scientifiques et technologiques 2. Place de la communauté CNRS dans ces programmes: 3. Les projets du GAT

Le principe (illustré) de la fusion:

La fusion: objectif motivant mais très lointain -Objectif très motivant: -source d’énergie quasi-illimitée eau de mer - indépendance énergétique - « écologique » : pas de déchet de longue durée de vie -sûreté: quantité limitée de combustible -mais encore très lointain -magnétique actuelle: ITER, DEMO, Industriel: 50 ans -US: recommandation FESAC: 30 ans -UE: fusion source d’énergie alternative -d’où un manque de visibilité en tant que projet de société

Fusion avec le réaction D-T -Réaction de fusion la plus facile à réaliser: D + T  4He (3,5MeV) + n(14,1MeV) -Energie considérable: 1g mélange DT = 0.8 107 gep 1g Ur naturel = 104 gep 1 centrale 1000 MW, rendement 1/4 =1kg mélange DT/jour, Réserves illimitées -2 conditions pour obtenir la fusion: -température: Ti > Tign , valeur typique: Ti6 keV, plasma -confinement: critère de Lawson Nt > 1014 cm-3s à 6 keV

Les deux filières: magnétique et inertielle Critère nx 1014 cm-3s à 6 keV : 2 Filières: -magnétique:  grand: confinement par B,  densités faibles, Tokamaks, Stellerator -inertielle: n grand: « confinement » inertiel  temps courts « driver »: faisceaux lasers, ou ions lourds

(a) Grosses machines, (b) programmes coûteux, (c) amont -Filière magnétique: -un grand nombre de grosses machines: JET, JT 60, D3D, ASDEX, Tore supra, TCV -un projet international: (a) ITER-FEAT: (b) 7 GEuro (c) démonstration d’un facteur de gain Q = 10 ensuite: DEMO (30-50 ans) -Filière inertielle: -plusieurs installations laser: OMEGA-UPGRADE, GEKKO, Vulcan, LULI -deux très grosses installations en construction: (a) US: NIF (National Ignition Facility) F: LMJ (Laser MégaJoule) (b) 1.5 GEuro (c) démonstration de l’ignition G= 5-10 pas de projet de démonstration industrielle

1. Filière magnétique

Principe des tokamaks

Exemple du JET: Joint European Tokamak

les verrous scientifiques des tokamaks confinement et température: nT instabilités MHD/micro: chauffage additionnel: HF, neutres -chauffage -profil de courant -chauffage par les : comportement du plasma? -divertor

Progression des performances des tokamaks vers l’ignition

Projet ITER-FEAT projet ITER/objectifs: -décharge de 500s; -Q>5 -fonctionnement avec chauffage significatif par les alphas - bobines pour le champ magnétique toroïdal supraconductrices -divertor -études sur composants tritigènes -l’après ITER: DEMO?: dimensionnement (chaleur)+ tritigène

2. Filière inertielle

Principe de la fusion inertielle: compression et point chaud 1. Le critère de Lawson nt peut s ’écrire en terme du critère « rR » rR>0.2 gcm-2 pour Ti6 keV 2. Compression: Energie à investir: Winvest. = (4p/3) Ti rR3  (rR)3 /r2 (énergie à recevoir: Wfusion. = G x Winvest. !) d’où l’intérêt à comprimer 3. Schémas à forts gains: 3 étapes 1. Compression, basse température 2. Ignition d ’un point chaud central 3. Combustion: capture des particules a : rR >0.6 g cm-2 1. Compression: long: interaction laser-plasma 10-15 ns Chronologie: 2. Ignition, combustion: rapide

Les 3 étapes de la fusion par laser 3. Combustion 2. Ignition 1. Compression pendant 15 ns Interaction laser-plasma

Les deux schémas pour la fusion inertielle Faisceaux laser Cible Attaque directe Attaque indirecte Faisceaux laser ou d’ions Cible Cavité R-X kJ/multi kJ class: Trident at Los Alamos LULI at Ecole polytechnique Vulcan at Rutherford Gekko at Osaka Laser W at Rochester: 30kJ@3w LIL:elementary quad.:30kJ @3w LMJ: France: 60 quads: 1.8MJ NIF: USA

Les verrous scientifiques de la fusion par laser 1. Compression pendant 15 ns 2. Ignition 3. Combustion Laser-plasma interaction Instabilités hydrodynamiques

Dimensionnement du LMJ: un compromis entre les contraintes venant des deux types d’instabilités Objectif: ignition avec facteur de gain  5 à 10

Le Laser MégaJoule (LMJ) Building : 300 x 100 m2 4 laser halls 240 beams (40x40 cm2) in 60 quads: 60x(30 kJ)= 1.8 MJ 600 shots/year 0-20 shots/year@maximum gain CEA-DAM

La chambre expérimentale Target :  2.5 mm Experimental hall: h 40 m -  60 m Experimental chamber  10 m CEA-DAM

beam geometry of the LMJ : 3 cones Exterior cone Cavity Intermediate cone Interior cone   CEA-DAM M. Casanova

Les verrous technologiques -Les tokamaks: -contraintes sur les matériaux -tenue au flux neutronique -Inertiel: -drivers: 5-10 Hz, efficaces -concept des réacteurs: fabrication des cibles, coûts *Schémas hybrides fusion/fission: tokamaks: usines à neutrons de 14 MeV (sans sodium ni contraintes environnementales !) relaxation de la contrainte Q>1:  relaxation de contraintes de dimensionnement

Plan/résumé 1. Caractéristiques des études sur la fusion: -objectif motivant mais lointain -les deux filières: magnétiques et inertielles -verrous scientifiques et technologiques 2. Place de la communauté CNRS dans ces programmes: -physique amont -CEA partenaire 3. Les projets du GAT

Implication actuelle du CNRS: physique amont Physique amont: physique des plasmas chauds excellence du CNRS: -Tokamaks: -codes MHD -transport, turbulence -diagnostics de la turbulence/diffusion -interaction plasma-surface -Inertiel: -interaction laser-plasma: expériences codes PIC modélisation, codes de type fluide -équations d’état: très hautes pressions -nouveaux concepts: allumeur rapide -en commun:-diagnostics spectro

Installations LULI: taille « académique »

Installations LULI: taille « académique » recherche amont: allumeur rapide

Organisation de la communauté CNRS (réunion du GAT) Tokamaks: -3 pôles: Marseille, Nancy, X -CEA partenaire obligé: LRC -labos CNRS servent de lieu de formation -pas de structure CNRS fédérative -sentiment de manque de visibilité en interne / CNRS -pas, ou peu de visibilité régionale -articulation avec l’Europe via le CEA Inertiel: -structurée: -historique LULI: groupement LULI -création d’un pôle bordelais:UMR CNRS-CEA-Uni Bordeaux -création de l’Institut Laser Plasma (ILP): fédératif -existence propre: installations LULI -collaborations avec le CEA-DAM: labos CNRS servent de lieu de formation -intégrations régionales -articulation européenne propre

Plan/résumé 1. Caractéristiques des études sur la fusion: -objectif motivant mais lointain -les deux filières: magnétiques et inertielles -verrous scientifiques et technologiques 2. Place de la communauté CNRS dans ces programmes: -physique amont -CEA partenaire obligé 3. Les projets du GAT

Les projets du GAT: Spécificités du domaine: -changement d’image: -fusion source d’énergie -schémas hybrides? -son caractère amont -France impliquée dans 2 très grands projets magnétique et inertiel -Rédaction d’un livre blanc sur la fusion: -état du domaine -points forts de la communauté CNRS -propositions autour d’un « programme » CNRS -spin-offs d’un tel programme -Organisation de la communauté CNRS tokamaks: -création d’un consortium? -visibilité CNRS -visibilité régionale