Tokamak
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Le Tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à contrôler un plasma nécessaire à la production d'énergie par fusion nucléaire. Ce terme vient du russe « toroidalnaja kamera magnetnaja katuska » (soit en français, chambre toroïdale à confinement magnétique).
Il s'agit d'une technologie expérimentale. L'objectif serait de produire de l'électricité en récupérant la chaleur produite par la réaction de fusion nucléaire.
Le tokamak fut inventé par les russes Igor Yevgenyevich Tamm et Andreï Sakharov.
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Le principe
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La fusion nucléaire permet à partir de deux atomes très légers (par exemple le deutérium et le tritium) de créer des atomes plus lourds. Cette transformation produit un défaut de masse qui se manifeste sous forme d'énergie (E=mc2 où E est l'énergie produite, m la masse disparue et c la vitesse de la lumière). Cet excès d'énergie peut se transformer en excès de chaleur qui par convection peut être convertie en électricité.
Les conditions nécessaires
La température de fusion
Pour produire une réaction de fusion nucléaire il faut chauffer la matière à de très hautes températures (plusieurs centaines de millions de degrés). Dans ces conditions les électrons se détachent complètement de leur noyau, on dit que l'atome s'ionise. La matière entre dans un nouvel état : l'état de plasma (pour la fusion, cet évènement est appelé le breakeven).
Afin d'obtenir de telles températures plusieurs méthodes sont disponibles :
- l'utilisation de l'effet Joule produit par le déplacement des électrons (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de 10 millions de degrés) ;
- l'injection de particules accélérées dans un accélérateur de particule annexe ;
- l'échauffement obtenu par de puissants lasers (Effet Compton) ;
- l'utilisation d'ondes électromagnétiques aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du Four à micro-ondes).
Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire sera sûrement obtenue par une combinaison de ces méthodes.
Mais plus encore, lorsque les réactions de fusion sont en nombre suffisant, la température alors produite permet d'auto entretenir les conditions de la réaction (Ce seuil est appelé ignition du plasma). On peut alors contrôler cet état en injectant la matière nécessaire à la réaction. Dans de telles conditions, le facteur du bilan d'énergie entre l'énergie nécessaire à la réaction et celle produite par la réaction devient infini.
Mais pour obtenir de telles conditions il est nécessaire de contenir suffisamment longtemps une assez grande quantité de plasma.
Le confinement du plasma
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L'enjeu consiste alors à contrôler ce plasma au cœur du Tokamak dans un volume limité et suffisamment éloigné des équipements. Comme le plasma est constitué d'électrons chargés, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur d'un tore au moyen de champs magnétiques. Pour cela on doit crééer un champ toroïdal auquel on associe une composante de champ qui lui est perpendiculaire (champ poloïdal). Dans les dispositifs du type Tokamak, le champ poloïdal est créé par un fort courant induit au sein même du plasma.
Ce dispositif se distingue des Stellarators, qui adoptent la même configuration de chambre à fusion de forme torique, mais au seins desquels aucun courant ne circule dans le plasma.
Les avantages
Les avantages d'une telle technologie sont variés :
- Une grande quantité de « carburant » fissible disponible : la matière fissible choisie est constituée de deutérium et de tritium. On trouve le deutérium (ou eau lourde) à l'état naturel (1 atome de Deutérium pour 6 000 atomes d'hydrogène dans l'eau soit 30 mg/l d'eau). Et on peut facilement réintroduire le tritium produit par la réaction de fusion du réacteur. (Le réacteur auto-produirait ainsi une partie de son combustible).
- Une faible production d'éléments radioactifs : le combustible est faiblement radioactif (tritium) et sa production reste confinée dans l'enceinte du réacteur. À la fin de vie du réacteur, les éléments radioactifs à recycler sont pour la plupart dits « à vie courte ».
- Un faible risque d'accident nucléaire majeur : étant donné les conditions strictes nécessaires à la fusion, toute anomalie dans l'état de la réaction provoque l'arrêt immédiat des réactions en cours. Il n'y a donc pas de risque d'emballement de la réaction.
Les difficultés
Cette technologie est encore difficile à maîtriser :
- La physique des plasmas n'est pas encore bien maitrisée, il est notamment très difficile de modéliser le comportement d'un plasma dans un confinement magnétique.
- Le choix et l'utilisation des matériaux sont très importants car les contraintes imposées sont nombreuses (température, résistance aux champs magnétiques, stabilité aux radiations, importante durée de vie...).
- Le tritium pose le problème de sa diffusion élevée dans les différents matériaux. Cela complexifie d'autant le choix de ces matériaux et la décontamination du tritium.
- Pour atteindre l'objectif d'une fusion auto-entretenue rentable il est nécessaire de confiner une grande quantité de plasma. La rentabilité des plasmas obtenus se lie à la taille des installations. Par exemple, la durée de confinement du plasma utile (fissible) varie avec le carré du grand rayon du plasma traité. Ainsi malgré le faible coût d'acquisition du combustible, les charges concernant la construction et la maintenance de tels dispositifs seront très importantes.
Les prototypes
Il existe actuellement plusieurs prototypes de tokamak :
- International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), qui n'est pour l'instant (octobre 2004) qu'un projet international ;
- Joint european torus (JET), basé à Culham au Royaume-Uni ;
- Tore Supra, basé à Cadarache en France ;
D'autre pistes d'étude de production d'énergie à partir de la fusion sont étudiées :
- La fusion froide avec le Le réacteur CFR v2.1
- La Fusion par confinement inertiel avec le Laser mégajoule
Liens externes
- CEA - La fusion magnétique
- Une passion nommée Physique - La fusion thermonucléaire contrôlée
- Vive l'énergie de fusion - Tokamak (fusion)
- La fusion nucléaire comme source d’énergie pour le futur
- La France nucléaire - les dangers du Tritium
- Wise paris - Les dangers de la fusion