La fusion, un instant crucial
Pour que la fusion puisse avoir lieu, il faut que le plasma atteigne une température de 150 millions de degrés (conditions les plus favorables à la fusion, c'est à cette température que le procédé de fusion est le plus performant). 150 millions de degrés équivalent à une température environ 35 000 fois plus chaude que le noyau solide de la Terre ou encore 10 fois plus que le centre du soleil ! Pour obtenir de telles températures, le tokamak ITER aura besoin de 120MW d’énergie nécessaire au maintien de la matière à l'état de plasma. Pour donner une comparaison, un four consomme 1 kW et une éolienne industrielle produit 1MW. Il faudrait donc 120 éoliennes pour alimenter le tokamak, ce qui équivaut à alimenter 120 000 fours en même temps !
Le tokamak ITER combinera trois sources de chauffage externe pour porter le plasma à la température permettant la fusion.
1) Les Champs Magnétiques.
(Se référer au tableau en bas de cette page pour la définition des termes et pour plus d'informations sur les bobines électriques et les champs magnétiques).
Ceux-ci sont classés en 3 grands groupes et possèdent deux utilités. Ils sont utiles pour chauffer et également confiner le plasma.
Premier groupe : 18 bobines toroïdales, enroulées autour du Tore, créant un champ magnétique destiné à confiner et chauffer le plasma.
Deuxième groupe : 12 bobines en forme paloïdale disposées en cercle autour du Tore qui créeront un champ magnétique intense circulant dans le plasma.
Troisième groupe : Une bobine de forme solénoïde qui contribuera essentiellement à stabiliser le plasma, c’est à dire à procurer une énergie suffisante lorsque celui-ci ne sera pas assez chaud pour rester plasma. En terme de chauffage, ce groupe n'est pas le principal, mais il a un rôle important dans le confinement de celui-ci.
Le confinement:
Lorsque un plasma est dénué de champ magnétique, les particules sont totalement libres de leurs mouvements. Or il est important que toutes les particules composant le plasma n'entrent pas en contact avec les parois, ce qui refroidirait le plasma.
Les champs magnétiques agissent donc comme des "rails" que suivront les particules. Ce "rail" est nommé la ligne de champ.
Les électrons et les ions (possédant une charge électrique) suivront alors la ligne champ ou champ résultant. (voir tableau des champs magnétiques ci-dessous), ce qui permettra au plasma de ne pas entrer en contact avec les parois (car aucun matériau ne pourrait résister à une température de 150 millions de degrés). On appelle ce phénomène le confinement magnétique.
La Supraconductivité pour ITER:
Le gros problème des bobines dans les tokamaks est que, pour créer un champ magnétique assez intense, elles consomment énormément d’électricité (à laquelle s'ajoutent les pertes par effet Joule). Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont donc dû trouver un moyen de diminuer la consommation en énergie des bobines. Ils ont donc opté pour les aimants supraconducteurs. ITER utilise des aimants supraconducteurs qui perdent leur résistance lorsqu'ils sont refroidis à très basse température. Les bobines de champ toroïdal et poloïdal sont situées entre la chambre à vide et le cryostat, où elles sont refroidies et protégées contre les neutrons de la réaction de fusion et l'échauffement qu'ils induisent. Pour établir la supraconductivité, toutes les bobines sont refroidies à l'hélium supercritique jusqu'à des températures de l'ordre de -269 °C (4 degrés Kelvin). La supraconductivité permet d'obtenir un rapport consommation d'énergie/coût avantageux pour les longues décharges de plasma que la machine ITER doit réaliser. Les éléments supraconducteurs sont réalisés en Nobium-étain (Nb3Sn), ou en Nobium-Titane (NbTi).
Le chauffage:
Le courant magnétique intense, créé par les bobines, transmettra également son énergie aux particules présentes dans le tokamak. Dans le tokamak, les variations des champs magnétiques utilisés pour contrôler le plasma génèrent un effet de chauffage. En effet, les phénomènes d'induction (différence de potentiel aux bornes des bobines) créent un courant électrique de forte intensité. Lorsque ce courant circule dans le plasma, les électrons et les ions sont excités et entrent en collision. Ces collisions créent une « résistance » qui produit à son tour de la chaleur mais, paradoxalement, quand la température du plasma augmente, cette résistance, et donc l'effet de chauffage qu'elle produit, diminuent. La chaleur transférée par ce courant de haute intensité (le « chauffage ohmique ») ne dépasse pas une certaine intensité. Pour obtenir des températures encore plus élevées et atteindre le seuil à partir duquel la fusion devient possible, il faut utiliser d'autres méthodes de chauffage depuis l'extérieur du tokamak.
2) Chauffage par ondes
Pour chauffer le Plasma, on utilise aussi des ondes, introduites par une antenne à l’intérieur du tokamak.
Tel un micro-onde, les ondes vont fournir leurs énergies aux particules présentes dans le plasma. Les ondes accélèrent ainsi le mouvements des électrons et des ions ce qui augmente leur température.
Dans un tokamak, on utilise des ondes ioniques ou électroniques, (ITER combinera les deux) d'une haute intensité de fréquence (40 à 55 MHz), un outil polyvalent qui permet de jouer sur toute la gamme des scénarios de chauffage. Sur le réacteur ITER, trois types d'ondes seront utilisées, correspondant chacune à une certaine fréquence des ions et des électrons du plasma, de manière à maximiser le transfert de chaleur.
3) Injection de neutres
Comment chauffer davantage un plasma ? Une solution est d'injecter dans le plasma un faisceau de particules très énergétiques qui cèdent leur énergie au plasma par collisions. Le but est d’accélérer une particule.
Pour obtenir des particules très énergétiques, la méthode est d'utiliser des champs électriques intenses pour accélérer un faisceau de particules chargées (des ions deutérium). Cependant, ces particules chargées ne pourraient pas rentrer telles quelles dans le tokamak, car si la configuration magnétique piège les particules à l'intérieur de la machine, elle empêche aussi les particules venant de l'extérieur d'y entrer. Il faut par conséquent neutraliser le faisceau avant de l'injecter dans la décharge, d'où le nom d'injecteur de neutres donné au système. Tout est donc affaire d'énergie cinétique: l'injecteur de neutres accélère les particules de deutérium rapides neutralisées et les injecte dans le plasma. Avant d'être injectés, des atomes de deutérium sont accélérés à l'extérieur du tokamak jusqu'à atteindre une énergie cinétique de 1 méga électron-volt (MeV).
L’injection de neutres permet de fournir des puissances importantes au plasma (de l'ordre de 20-30 MW). Pour la machine ITER, il est prévu d'utiliser deux injecteurs de neutres.
Le tokamak ITER combinera trois sources de chauffage externe pour porter le plasma à la température permettant la fusion.
1) Les Champs Magnétiques.
(Se référer au tableau en bas de cette page pour la définition des termes et pour plus d'informations sur les bobines électriques et les champs magnétiques).
Ceux-ci sont classés en 3 grands groupes et possèdent deux utilités. Ils sont utiles pour chauffer et également confiner le plasma.
Premier groupe : 18 bobines toroïdales, enroulées autour du Tore, créant un champ magnétique destiné à confiner et chauffer le plasma.
Deuxième groupe : 12 bobines en forme paloïdale disposées en cercle autour du Tore qui créeront un champ magnétique intense circulant dans le plasma.
Troisième groupe : Une bobine de forme solénoïde qui contribuera essentiellement à stabiliser le plasma, c’est à dire à procurer une énergie suffisante lorsque celui-ci ne sera pas assez chaud pour rester plasma. En terme de chauffage, ce groupe n'est pas le principal, mais il a un rôle important dans le confinement de celui-ci.
Le confinement:
Lorsque un plasma est dénué de champ magnétique, les particules sont totalement libres de leurs mouvements. Or il est important que toutes les particules composant le plasma n'entrent pas en contact avec les parois, ce qui refroidirait le plasma.
Les champs magnétiques agissent donc comme des "rails" que suivront les particules. Ce "rail" est nommé la ligne de champ.
Les électrons et les ions (possédant une charge électrique) suivront alors la ligne champ ou champ résultant. (voir tableau des champs magnétiques ci-dessous), ce qui permettra au plasma de ne pas entrer en contact avec les parois (car aucun matériau ne pourrait résister à une température de 150 millions de degrés). On appelle ce phénomène le confinement magnétique.
La Supraconductivité pour ITER:
Le gros problème des bobines dans les tokamaks est que, pour créer un champ magnétique assez intense, elles consomment énormément d’électricité (à laquelle s'ajoutent les pertes par effet Joule). Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont donc dû trouver un moyen de diminuer la consommation en énergie des bobines. Ils ont donc opté pour les aimants supraconducteurs. ITER utilise des aimants supraconducteurs qui perdent leur résistance lorsqu'ils sont refroidis à très basse température. Les bobines de champ toroïdal et poloïdal sont situées entre la chambre à vide et le cryostat, où elles sont refroidies et protégées contre les neutrons de la réaction de fusion et l'échauffement qu'ils induisent. Pour établir la supraconductivité, toutes les bobines sont refroidies à l'hélium supercritique jusqu'à des températures de l'ordre de -269 °C (4 degrés Kelvin). La supraconductivité permet d'obtenir un rapport consommation d'énergie/coût avantageux pour les longues décharges de plasma que la machine ITER doit réaliser. Les éléments supraconducteurs sont réalisés en Nobium-étain (Nb3Sn), ou en Nobium-Titane (NbTi).
Le chauffage:
Le courant magnétique intense, créé par les bobines, transmettra également son énergie aux particules présentes dans le tokamak. Dans le tokamak, les variations des champs magnétiques utilisés pour contrôler le plasma génèrent un effet de chauffage. En effet, les phénomènes d'induction (différence de potentiel aux bornes des bobines) créent un courant électrique de forte intensité. Lorsque ce courant circule dans le plasma, les électrons et les ions sont excités et entrent en collision. Ces collisions créent une « résistance » qui produit à son tour de la chaleur mais, paradoxalement, quand la température du plasma augmente, cette résistance, et donc l'effet de chauffage qu'elle produit, diminuent. La chaleur transférée par ce courant de haute intensité (le « chauffage ohmique ») ne dépasse pas une certaine intensité. Pour obtenir des températures encore plus élevées et atteindre le seuil à partir duquel la fusion devient possible, il faut utiliser d'autres méthodes de chauffage depuis l'extérieur du tokamak.
2) Chauffage par ondes
Pour chauffer le Plasma, on utilise aussi des ondes, introduites par une antenne à l’intérieur du tokamak.
Tel un micro-onde, les ondes vont fournir leurs énergies aux particules présentes dans le plasma. Les ondes accélèrent ainsi le mouvements des électrons et des ions ce qui augmente leur température.
Dans un tokamak, on utilise des ondes ioniques ou électroniques, (ITER combinera les deux) d'une haute intensité de fréquence (40 à 55 MHz), un outil polyvalent qui permet de jouer sur toute la gamme des scénarios de chauffage. Sur le réacteur ITER, trois types d'ondes seront utilisées, correspondant chacune à une certaine fréquence des ions et des électrons du plasma, de manière à maximiser le transfert de chaleur.
3) Injection de neutres
Comment chauffer davantage un plasma ? Une solution est d'injecter dans le plasma un faisceau de particules très énergétiques qui cèdent leur énergie au plasma par collisions. Le but est d’accélérer une particule.
Pour obtenir des particules très énergétiques, la méthode est d'utiliser des champs électriques intenses pour accélérer un faisceau de particules chargées (des ions deutérium). Cependant, ces particules chargées ne pourraient pas rentrer telles quelles dans le tokamak, car si la configuration magnétique piège les particules à l'intérieur de la machine, elle empêche aussi les particules venant de l'extérieur d'y entrer. Il faut par conséquent neutraliser le faisceau avant de l'injecter dans la décharge, d'où le nom d'injecteur de neutres donné au système. Tout est donc affaire d'énergie cinétique: l'injecteur de neutres accélère les particules de deutérium rapides neutralisées et les injecte dans le plasma. Avant d'être injectés, des atomes de deutérium sont accélérés à l'extérieur du tokamak jusqu'à atteindre une énergie cinétique de 1 méga électron-volt (MeV).
L’injection de neutres permet de fournir des puissances importantes au plasma (de l'ordre de 20-30 MW). Pour la machine ITER, il est prévu d'utiliser deux injecteurs de neutres.