LA FUSION: Source prometteuse d’énergie Claude Boucher.

Présentation au sujet: "LA FUSION: Source prometteuse d’énergie Claude Boucher."— Transcription de la présentation:

1 LA FUSION: Source prometteuse d’énergie Claude Boucher

2 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?"

3 Consommation mondiale 11/05/2010 3 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"3 From BP Statistical Review of World Energy 2008, h ttp://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622 462 EJ 1 Mtoe = 0.042 EJ

4 Prévision de la demande 11/05/2010 4 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"4 1 Gtoe = 42 EJ IEA World Energy Outlook www.worldenergyoutlook.org 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

5 Carburants fossiles : Rapport entre les réserves et la production (R/P) 11/05/2010 5 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"5 De BP Statistical Review of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622

6 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 22,900 2 50 b Pétrole 6,300 2 14 b Gaz naturel 5,400 2 12 b Uranium 235 (fission ) 2,000 2 5 Uranium 238 and thorium (surgénérateur) 120,000 2 300 Lithium (D-T fusion) Croute terrestre 30,000 Océans30,000,000 1 Consortium Fusion Expo Europe 2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ ) 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?"

7 Renouvelables 11/05/2010 7 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

8 Barrage de Beauharnois 11/05/2010 8 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Puissance : 1 657 MW Puissance : 1 657 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: 1932-1961 Inauguré: 1932-1961 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

9 Panneaux photovoltaïques (PV) 11/05/2010 9 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%

10 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 11/05/2010 10 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.

11 Émissions CO 2 11/05/2010 11 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"11 IEA World Energy Outlook www.worldenergyoutlook.org

12 Impacts climatiques (1) 11/05/2010 12 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 1961-1990. 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, 12-17 November 2007)

13 Impacts climatiques (2) 11/05/2010 13 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"13 United Nations Environment Program SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))

14 Rôle des “renouvelables” 11/05/2010 14 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

15 Réaction D-T 11/05/2010 15 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"15 E = MC 2

16 Efficacité 11/05/2010 16 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)7001000 10 8 Energie produite Energie produite (J/kg) (J/kg) 3.3x10 7 2.1x10 12 3.4x10 14 16

17 Équivalence des carburants 11/05/2010 17 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"17 0.6 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

18 Réactions de fusion 11/05/2010 18 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%

19 Sections efficaces 11/05/2010 19 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"19 http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/index.html

20 Production de Tritium 11/05/2010 20 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"20 n + 6 Li = He +T + 4.8 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 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 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?"

23 Géométrie toroïdale 11/05/2010 23 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 )

24 Confinement magnétique: Le tokamak 11/05/2010 24 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

25 Sphéromak (Spherical Tokamak) 11/05/2010 25 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Coûts réduits Meilleure stabilité (  plus élevé) http://www.ccfe.ac.uk/MAST.aspx Courant1,2 Ma Température< 23,000,000°C Durée< 1 second Volume8m³ Densité10 20 m -3 Diamètre~ 3m MAST

26 Stellarator 11/05/2010 26 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 http://prl.anu.edu.au/H-1NF/plasma_fusion/ H-1 heliac

27 Confinement inertiel: LASER 11/05/2010 27 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) 124029 Cross-sectional view of the KOYO-F fast ignition reactor (Norimatsu et al. US- Japan workshop on Power Plant Studies and related Advanced Technologies)

28 National Ignition Facility (NIF) 11/05/2010 28 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Phys. Plasmas 12, 056316 (2005); doi:10.1063/1.1885003 (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

29 Courbes de Gain 11/05/2010 29 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029 (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

30 Géométries magnétique 11/05/2010 30 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"30 Limiteur Déflecteur TEXTOR TdeV

31 Tokamaks existants 11/05/2010 31 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" Source: Pamela-Solano EFDA http://www.toodlepip.com/tokamak/ All-the-World's Tokamaks

32 Tokamak - impulsion 11/05/2010 32 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 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?"

34 Temps de confinement (Break-even) 11/05/2010 34 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     1 4 12/ 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

35 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 36 Temps de confinement 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

37 Résultats 11/05/2010 37 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"37 De « Contemporary Physics Education Project » http://FusEdWeb.pppl.gov

38 JET: LE TOKAMAK LE PLUS GRAND AU MONDE 11/05/2010 38 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"38

39 Démonstration 11/05/2010 39 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"39 Source: Pamela-Solano, EFDA-JET Watkins, JET Continu

40 ITER : Historique 11/05/2010 40 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?" 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 40 Coûts 8500 M$CAD Construction 8500 M$CAD Expérience <1000 M$CAD Mise hors service http://www.iter.org/proj/Pages/ITERMilestones.aspx

41 11/05/2010 41 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"41 ITER

42 ITER : Programme 11/05/2010 42 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 43 AUGJET ITER ITER confinement http://www.tokamak.info/ 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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

45 45 ITER aujourd’hui Construction débutée Construction débutée Achats et contrats alloués Achats et contrats alloués http://www.iter.org/newsline/Pages/Archive.aspx 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 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 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 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 49 Merci ! boucher@emt.inrs.ca http://claude.emt.inrs.ca 11/05/2010 ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"