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Le réacteur de fusion nucléaire ITER, pièce par pièce: c’est ainsi que fonctionnera l’une des plus grandes œuvres d’ingénierie créées par l’homme

Le réacteur de fusion nucléaire ITER, pièce par pièce: c'est ainsi que fonctionnera l'une des plus grandes œuvres d'ingénierie créées par l'homme

ITER (Réacteur expérimental thermonucléaire international) est l’un des projets plus ambitieux et complexe auquel l’humanité est confrontée. Son but est d’imiter les processus qui permettent aux étoiles d’obtenir de l’énergie grâce à la fusion de leurs noyaux combustibles, qui sont constitués d’environ 70% de protium, qui est l’isotope de l’hydrogène dépourvu de neutrons, et donc , il n’a qu’un proton et un électron; entre 24 et 26% d’hélium, et entre 4 et 6% d’éléments chimiques plus lourds que l’hélium.

Le problème est qu’il n’est pas facile d’imiter les processus de fusion nucléaire qui se produisent naturellement dans les noyaux des étoiles. Et ce n’est pas, parmi tant d’autres raisons, parce que nous n’avons pas d’allié très précieux qui facilite beaucoup la tâche des stars: confinement gravitationnel. Et c’est que sa masse est si énorme que la gravité parvient à comprimer les gaz du noyau stellaire autant que nécessaire pour recréer de manière naturelle les conditions dans lesquelles les noyaux d’hydrogène commencent à fusionner spontanément. C’est ainsi que les étoiles obtiennent leur énergie.

Un défi comme celui-ci nécessite un bon plan, et nous l’avons

Sur Terre, nous ne pouvons pas recréer ces mêmes conditions parce que nous n’avons pas les connaissances et la technologie nécessaires pour manipuler les champs gravitationnels. Rien ne semble indiquer que quelque chose comme ça sera possible dans le futur, encore moins que nous pourrons générer un champ gravitationnel très proche de celle d’une étoile.

Pour cette raison, pour déclencher la fusion nucléaire, nous n’avons pas d’autre choix que de chauffer le combustible dans nos réacteurs jusqu’à ce qu’il atteigne une température entre 150 et 300 millions de degrés centigrades, qui, curieusement, est dix fois plus grande que celle du noyau solaire. Ce n’est qu’ainsi que les noyaux de deutérium et de tritium, qui sont les isotopes de l’hydrogène que nous utilisons comme combustible, parviennent à acquérir l’énergie cinétique nécessaire pour vaincre leur répulsion naturelle et fusionner.

C’est l’objectif d’ITER: produire 500 mégawatts pendant pas moins de 500 s en utilisant seulement 1 g de tritium comme combustible et après avoir investi environ 50 mégawatts d’énergie dans l’allumage du réacteur

Le réacteur de fusion nucléaire ITER a été conçu pour montrer que la fusion nucléaire à une échelle que l’homme peut gérer fonctionne. Et aussi ce qui est rentable d’un point de vue énergétique car il génère plus d’énergie qu’il n’est nécessaire d’investir pour démarrer le processus.

Son objectif est de produire autour 500 mégawatts de puissance pendant pas moins de 500 secondes en utilisant seulement 1 gramme de tritium dans le combustible et après avoir investi environ 50 mégawatts d’énergie pour allumer le réacteur à fusion.

C’est l’intérieur du réacteur DIII-D, un Tokamak expérimental de fusion nucléaire géré par General Atomics à San Diego (États-Unis).

La machine qu’un consortium international développe dans la ville française de Cadarache c’est extraordinairement complexe. En effet, seuls les détecteurs de particules du CERN sont susceptibles de rivaliser avec le réacteur de fusion nucléaire ITER pour la complexité de l’ingénierie.

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Un projet de cette taille n’est possible que rassembler des ressources des grandes puissances de la planète, ce qui a incité la Chine, le Japon, la Russie, l’Union européenne, les États-Unis, l’Inde et la Corée du Sud à s’unir pour concrétiser l’étonnante machine dans laquelle nous sommes sur le point de plonger.

Le réacteur Tokamak, en détail

Le cœur d’ITER est son réacteur de type Tokamak. Cette conception a été conçue dans les années 1950 par les physiciens soviétiques Igor Yevgenievich Tamm et Andrei Sakharov, ce qui nous rappelle que nous travaillons sur la fusion nucléaire, du moins d’un point de vue théorique, depuis près de sept décennies. La caractéristique déterminante des réacteurs Tokamak et qui permet à quiconque d’en identifier un d’un coup d’œil est sa forme en anneau.

Le choix de cette géométrie, comme on peut le deviner, n’est pas accidentel; répond à la nécessité de confiner le carburant extrêmement chaud (à l’état plasma) à l’intérieur pour recréer les conditions nécessaires à réactions de fusion contrôlées prend place.

Tout dans ITER est colossal. Non seulement sa complexité; aussi ses chiffres. Il pèsera 23 000 tonnes, et la chambre dans laquelle le plasma est confiné aura un rayon de 6,2 mètres et un volume de 840 mètres cubes.

Tout dans ITER c’est colossal. Non seulement sa complexité; aussi ses chiffres. Et quand il sera terminé, il ne pèsera pas moins de 23 000 tonnes. Des données plus choquantes: le rayon de la section du « beignet » dans lequel le plasma est confiné mesure 6,2 mètres, et le volume de la chambre à vide qui contient le carburant à la température monstrueuse que j’ai mentionnée dans les premiers paragraphes du l’article mesure 840m3.

Ceci est le plus grand réacteur Tokamak que l’humanité a construit jusqu’à présent, et ne sera peut-être dépassée que par DEMO, dont la construction selon le calendrier fixé par EUROfusion devrait être achevée d’ici la fin de la prochaine décennie.

Le cryostat

Cryostat

Ce composant est une énorme chambre en acier inoxydable de 29 x 29 mètres qui a un poids de 3850 tonnes et un volume de 16000 m3. Vous avez la responsabilité de fournir un vide poussé nécessaire pour que les conditions requises pour que la fusion des noyaux de deutérium et de tritium qui composent le plasma se déroule à haute température.

Le cryostat prend également en charge préserver l’environnement ultra-froid nécessaire pour que les aimants supraconducteurs dont nous parlerons plus tard effectuent leur travail. Quelques-uns des plus de deux cents trous que nous pouvons voir dans sa surface cylindrique sont utilisés pour la maintenance, mais la plupart d’entre eux sont utilisés pour accéder au système de refroidissement, à l’équipement de diagnostic ou au manteau (couverture) qui couvre l’intérieur du réacteur, entre autres applications.

La chambre à vide

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Comme le cryostat, cette chambre de 8 000 tonnes est en acier inoxydable, bien que sa composition contienne également une petite quantité de bore (environ 2%). Dans son intérieur, la fusion des noyaux de deutérium et de tritium a lieu, donc l’une de ses fonctions les plus importantes est d’agir comme première barrière de confinement de rayonnement résiduel qui pourrait ne pas être retenu par le manteau (couverture), une composante cruciale que nous explorerons un peu plus tard.

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La chambre à vide est hermétiquement scellée et son intérieur préserve le vide poussé nécessaire à la fusion des noyaux de plasma. Sa forme toroïdale contribue à stabilisation des gaz, de sorte que les noyaux tournent à grande vitesse autour du trou central de la chambre, mais sans toucher à aucun moment les parois du tore.

La température à laquelle est soumise cette chambre est très élevée, il est donc nécessaire d’introduire de l’eau en circulation dans un compartiment logé entre ses parois interne et externe pour la refroidir et l’empêcher d’atteindre votre seuil de température maximum.

Les aimants

Aimants

Les aimants supraconducteurs placés à l’extérieur de la chambre à vide ont la responsabilité de générer le champ magnétique nécessaire pour confiner le plasma à l’intérieur. Ils sont également chargés de le contrôler et de le stabiliser pour éviter qu’il ne touche les parois du conteneur. Ces aimants pèsent 10000 tonnes et sont constitués d’un alliage de niobium et d’étain, ou de niobium et de titane, qui acquiert une supraconductivité lorsqu’il est refroidi à l’hélium supercritique à une température de -269 ° C.

Solénoïde central

La structure que vous pouvez voir au-dessus de ce paragraphe est le cœur du moteur magnétique complexe d’ITER. Sa forme cylindrique permet à ce solénoïde supraconducteur d’être placé à l’intérieur du trou central de la chambre à vide, induisant ainsi un énorme courant électrique dans le plasma.

De plus, cet aimant très puissant est utilisé pour optimiser la forme du plasma, le stabiliser, et aussi aide à le réchauffer grâce à un mécanisme connu sous le nom d’effet Joule, contribuant à élever sa température au-dessus des 150 millions de degrés Celsius nécessaires à la réaction de fusion nucléaire. Il mesure 18 mètres de haut, 4 mètres de diamètre et pèse 1 000 tonnes.

Le divertor

Diverteur

L’énorme composant que nous pouvons voir sur cette photographie n’est qu’une des 54 pièces identiques qui composent la base de la chambre à vide du réacteur. Il est en acier inoxydable, bien que incorpore des boucliers en tungstène qui sont chargés de soutenir le bombardement des neutrons de haute énergie du plasma, transformant leur énergie cinétique en chaleur.

L’eau qui circule à l’intérieur est responsable de la libération de cette énergie thermique et du refroidissement de l’inverseur. Le tungstène a été choisi pour affiner les écrans exposés au plasma car c’est le métal avec le point de fusion le plus élevé: pas moins de 3,422 ° C. De plus, le divertor est chargé de purifier le plasma, permettant l’extraction des cendres et des impuretés résultant de la réaction de fusion nucléaire et de l’interaction du plasma avec la couche la plus exposée du manteau.

Le manteau (‘couverture’)

Manteau

La structure que nous pouvons voir sur cette image est le manteau qui recouvre l’intérieur de la chambre à vide du réacteur. Est un composant critique qui est en première ligne de bataille car il est exposé à l’impact direct des neutrons de haute énergie résultant de la fusion des noyaux de deutérium et de tritium.

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De plus, il sera utilisé pour régénérer le tritium que vous devez utiliser comme carburant. Pour y parvenir, il est nécessaire de revêtir la couche interne du manteau avec du lithium, un élément chimique qui permet d’obtenir des noyaux de tritium lorsque les noyaux de lithium reçoivent l’impact de neutrons de haute énergie.

Le manteau protège la chambre à vide, le cryostat et les aimants de la chaleur et de l’impact direct des neutrons à haute énergie

Le manteau a également la responsabilité de protéger la structure chambre à vide en acier inoxydable, cryostat et aimants de la chaleur et de l’impact direct des neutrons à haute énergie, qui les dégraderaient en peu de temps.

L’énergie cinétique des neutrons se transforme en énergie thermique lors de la collision avec le manteau, et, encore une fois, l’eau du système de refroidissement est responsable de l’évacuation de cette chaleur, qui sera utilisée par les centrales électriques pour produire de l’électricité grâce à un mécanisme très similaire à celui utilisé par les centrales nucléaires à fission actuelles.

Un dernier point intéressant pour conclure l’article: l’élément chimique qui constituera la couche la plus superficielle du manteau est le béryllium car ses propriétés physico-chimiques lui permettent de mieux résister à la contrainte imposée par l’impact des neutrons que les autres métaux.

Les couches plus profondes du manteau sont en cuivre et en acier inoxydable, bien qu’il soit possible que les éléments utilisés pour fabriquer à la fois le manteau et le déviateur du futur réacteur DEMO changent si les techniciens impliqués dans le projet IFMIF-DONES trouvent des matériaux capables de supporter mieux exposition directe au plasma auxquels ces composants sont soumis.

images | ITER | Rswilcox
Plus d’informations | ITER

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