(b) la fusion thermonucléaire contrôlée

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

2 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

3 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

4 Le principe (illustré) de la fusion:

5 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

6 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 = gep 1g Ur naturel = 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

7 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

8 (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

9 1. Filière magnétique

10 Principe des tokamaks

11 Exemple du JET: Joint European Tokamak

12 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

13 Progression des performances des tokamaks vers l’ignition

14 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

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16 2. Filière inertielle

17 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

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

19 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: LIL:elementary LMJ: France: 60 quads: 1.8MJ NIF: USA

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

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

22 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 gain CEA-DAM

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

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

25 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

26 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

27 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

28 Installations LULI: taille « académique »

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

30 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

31 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

32 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