Introduction
Dans le cadre de notre TPE, nous avons fait le choix de travailler sur la fusion nucléaire. Nous voulions parler des énergies de demain, des nouvelles technologies ainsi que des défis technologiques. Les réacteurs à fusion nucléaire nous ont alors semblé être le parfait sujet.
A ce jour, c'est grâce à la fission nucléaire que nous produisons une grande partie de notre énergie, avec les ressources fossiles ainsi que le charbon.
Comme nous le savons, il sera impossible de continuer à vivre avec les types d’énergies actuelles. Leurs productions et leurs utilisations ne sont pas du tout durables. Les ressources fossiles se font rares, la planète est polluée entre autres par l'émission en grande quantité de CO2, les pays riches gaspillent l'énergie, la population mondiale augmente rapidement et les pays émergents s’industrialisent, s'équipent en voitures, et cela amène une demande en énergie encore plus importante.
Un changement de mode de vie va devoir s'opérer le plus rapidement possible. Entre autres dans la production d'énergie.
Pour ne pas polluer en créant de l'énergie, les énergies renouvelables sont mises à contribution, mais en minorité car ces énergies ne sont pas capables de couvrir la totalité de la demande en énergie.
En vue de couvrir la totalité de la demande énergétique mondiale qui ne cesse de s'accroître, désormais, la science se lance dans un nouveau défi qui est la fusion nucléaire. Il faut savoir qu'une seule source d'énergie ne suffira pas à elle seule à couvrir la totalité de la demande, c'est pourquoi il faut développer le maximum de solutions pour créer de l'énergie durablement. La fusion nucléaire fait partie de ces solutions mais reste à ce jour à un stade expérimental.
On peut donc se demander en quoi l'innovation dans le domaine de la fusion nucléaire peut répondre aux besoins énergétiques du XXlème siècle.
Pour répondre, nous nous appuierons principalement sur le projet ITER. (cf : ci-dessous)
Avant de débuter, ils nous semblent important de poser quelques bases de la fusion nucléaire.
NB: Nous vous proposons une liste des éléments composant un réacteur à fusion nucléaire à confinement magnétique. Cette page se nomme "lexique des éléments", et nous vous inviterons à vous y référer lorsque nous serons amenés à parler pour la première fois d'un composant du réacteur au cours de ce TPE.
- La fusion nucléaire
Il existe deux types de procédés pour parvenir à faire fusionner des atomes entre eux :
- Tout d'abord, les configurations fermées ou fusions par confinement magnétique. Cela consiste à créer un milieu suffisamment chaud (un plasma) et dense, pour que les atomes puissent fusionner entre eux. Le but est de créer un plasma de l'ordre de la centaine de millions de degrés. Lorsque que les atomes fusionnent, ils dégagent de l'énergie qui est récupérée pour chauffer de l'eau, elle-même ensuite utilisée pour créer de l'électricité. Ce procédé est utilisé dans les tokamaks (photo ci-dessus). C'est sur ce type de fusion que nous allons nous pencher.
- Les fusions à confinement inertiel consistent à tirer avec plusieurs dizaines de lasers puissants sur une micro-bille contenant du Deutérium et du Tritium. Les lasers feront fusionner les atomes entre eux, ce qui dégagera de l'énergie.
Ce procédé sera utilisé dans le Laser-Mégajoule.
L'électricité est aussi utilisée pour ce type de fusion par le réacteur américain nommé Z machine.
Malheureusement, ce type de fusion est moins rentable que la fusion par confinement magnétique.
"Pour qu'il soit rentable, il faudrait que les ingénieurs réalisent une fusion par seconde, dans ces micro-billes sachant qu'elles coûtent près de 10 000 euros l'unité et qu'elles doivent être installées au micromètre près pour que les lasers tirent tous ensemble dessus, conditions nécessaires à la fusion. Aujourd'hui, les ingénieurs réalisent seulement deux à trois fusions par jour !
Il faut également savoir que ce type de fusion est pour le moment utilisé à 90% dans le domaine de la recherche militaire, comme arme de destruction."
(Citation d'Yves Martin, professeur et scientifique à l'EPFL travaillant sur le tokamak à confinement magnétique TCV.)
- Tout d'abord, les configurations fermées ou fusions par confinement magnétique. Cela consiste à créer un milieu suffisamment chaud (un plasma) et dense, pour que les atomes puissent fusionner entre eux. Le but est de créer un plasma de l'ordre de la centaine de millions de degrés. Lorsque que les atomes fusionnent, ils dégagent de l'énergie qui est récupérée pour chauffer de l'eau, elle-même ensuite utilisée pour créer de l'électricité. Ce procédé est utilisé dans les tokamaks (photo ci-dessus). C'est sur ce type de fusion que nous allons nous pencher.
- Les fusions à confinement inertiel consistent à tirer avec plusieurs dizaines de lasers puissants sur une micro-bille contenant du Deutérium et du Tritium. Les lasers feront fusionner les atomes entre eux, ce qui dégagera de l'énergie.
Ce procédé sera utilisé dans le Laser-Mégajoule.
L'électricité est aussi utilisée pour ce type de fusion par le réacteur américain nommé Z machine.
Malheureusement, ce type de fusion est moins rentable que la fusion par confinement magnétique.
"Pour qu'il soit rentable, il faudrait que les ingénieurs réalisent une fusion par seconde, dans ces micro-billes sachant qu'elles coûtent près de 10 000 euros l'unité et qu'elles doivent être installées au micromètre près pour que les lasers tirent tous ensemble dessus, conditions nécessaires à la fusion. Aujourd'hui, les ingénieurs réalisent seulement deux à trois fusions par jour !
Il faut également savoir que ce type de fusion est pour le moment utilisé à 90% dans le domaine de la recherche militaire, comme arme de destruction."
(Citation d'Yves Martin, professeur et scientifique à l'EPFL travaillant sur le tokamak à confinement magnétique TCV.)
- La fusion nucléaire en quelques dates
- En 1920 le physicien Andreï Sakharov conçoit une enceinte magnétique nommée Tokamak, capable de contenir un plasma.
- En 1951 Lyman Spitzer invente un dispositif de même type que le tokamak, le Stellerator.
- La première bombe H, Ivy Mike, utilisant le processus de fusion nucléaire, explose en 1952 sous le contrôle des États-Unis.
- En 1968, on observe pour la première fois en France une énergie issue de la fusion par laser.
- Des chercheurs se rendent compte que le Tokamak de Sakharov produit un plasma bien plus chaud et plus dense que le Stellerator. Le tokamak domine dans les projets de fusion par confinement magnétique en 1969.
- En 2010, un laboratoire américain entame ses expériences sur la fusion contrôlée avec le laser NIF.
- En 2018, la construction d'ITER devrait s'achever. Les premiers tests de fusion d'un plasma de deutérium-tritium sont prévus pour 2026.
- Le projet ITER
- Iter est un projet international regroupant la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie, les États-Unis et l'Europe. Ce projet a pour but de construire le plus gros tokamak jamais conçu au monde pour démontrer qu'il est possible de créer de l'énergie, et d'avoir un bilan énergétique positif, c'est-à-dire de récupérer de l'énergie en utilisant la fusion nucléaire par confinement magnétique.
"Si le projet ITER démontre que cela est possible, le tokamak ITER lancera la commercialisation de l’électricité créée avec le procédé de fusion nucléaire. Il existe déjà un projet de réacteur après ITER. Le réacteur DEMO serait le premier réacteur sur le marché de électricité avant 2050" espère Yves Martin.
Quelques chiffres :
- La température à l'intérieur du tokamak ITER sera de 150 millions de degrés, soit dix fois celle qui règne au cœur du soleil.
- ITER a été conçu pour produire 500 MW d'énergie à partir d'un apport externe de 50 MW, c'est-à-dire pour générer dix fois plus de puissance qu'il n'en aura reçue.
- Le tokamak ITER pèsera 23 000 tonnes. Il sera ainsi trois fois plus lourd que la tour Eiffel dont la masse est de 7 300 tonnes !
- Avec un volume de plasma de 840 mètres cubes, ITER sera le plus gros tokamak jamais construit. Le volume de plasma des tokamaks en exploitation à but expérimental dans le monde, comme le JET européen, n'excède pas 100 mètres cubes.
- Le site ITER à Cadarache choisi pour la construction du réacteur, dans le département des Bouches-du-Rhône, s'étend sur une surface de 180 hectares soit 60 terrains de football !
- 13 milliards d'euros, tel est le coût estimé de la phase de construction du programme ITER sur dix ans. Le financement est assuré conjointement par les sept Membres d'ITER (qui représentent 34 pays).
- En 1951 Lyman Spitzer invente un dispositif de même type que le tokamak, le Stellerator.
- La première bombe H, Ivy Mike, utilisant le processus de fusion nucléaire, explose en 1952 sous le contrôle des États-Unis.
- En 1968, on observe pour la première fois en France une énergie issue de la fusion par laser.
- Des chercheurs se rendent compte que le Tokamak de Sakharov produit un plasma bien plus chaud et plus dense que le Stellerator. Le tokamak domine dans les projets de fusion par confinement magnétique en 1969.
- En 2010, un laboratoire américain entame ses expériences sur la fusion contrôlée avec le laser NIF.
- En 2018, la construction d'ITER devrait s'achever. Les premiers tests de fusion d'un plasma de deutérium-tritium sont prévus pour 2026.
- Le projet ITER
- Iter est un projet international regroupant la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie, les États-Unis et l'Europe. Ce projet a pour but de construire le plus gros tokamak jamais conçu au monde pour démontrer qu'il est possible de créer de l'énergie, et d'avoir un bilan énergétique positif, c'est-à-dire de récupérer de l'énergie en utilisant la fusion nucléaire par confinement magnétique.
"Si le projet ITER démontre que cela est possible, le tokamak ITER lancera la commercialisation de l’électricité créée avec le procédé de fusion nucléaire. Il existe déjà un projet de réacteur après ITER. Le réacteur DEMO serait le premier réacteur sur le marché de électricité avant 2050" espère Yves Martin.
Quelques chiffres :
- La température à l'intérieur du tokamak ITER sera de 150 millions de degrés, soit dix fois celle qui règne au cœur du soleil.
- ITER a été conçu pour produire 500 MW d'énergie à partir d'un apport externe de 50 MW, c'est-à-dire pour générer dix fois plus de puissance qu'il n'en aura reçue.
- Le tokamak ITER pèsera 23 000 tonnes. Il sera ainsi trois fois plus lourd que la tour Eiffel dont la masse est de 7 300 tonnes !
- Avec un volume de plasma de 840 mètres cubes, ITER sera le plus gros tokamak jamais construit. Le volume de plasma des tokamaks en exploitation à but expérimental dans le monde, comme le JET européen, n'excède pas 100 mètres cubes.
- Le site ITER à Cadarache choisi pour la construction du réacteur, dans le département des Bouches-du-Rhône, s'étend sur une surface de 180 hectares soit 60 terrains de football !
- 13 milliards d'euros, tel est le coût estimé de la phase de construction du programme ITER sur dix ans. Le financement est assuré conjointement par les sept Membres d'ITER (qui représentent 34 pays).