III. Les
Difficultés à surmonter
B. Le problème des enceintes de confinement
1. Les « neutrons libres »
Pour expliquer ce problème, il faut tout d’abord se remémorer la réaction de fusion qui est utilisé dans ITER ; Il s’agit de lier une molécule de deutérium avec une molécule de tritium, afin d’obtenir comme on l’a vu plus haut une molécule d’hélium ainsi qu’un neutron.
Lors de la réaction de fusion, se sont en partie ces électrons qui fournissent l’énergie, en plus du rayonnement (radioactivité alpha).
Et c’est à ces neutrons, appelés « neutrons rapides », que nous allons nous intéresser. Ils tirent leur énergie de la vitesse à laquelle ils sont émis (on sait en effet que l’énergie E=1/2.m.c²) et qui, comme leur nom l’indique, est importante. Or, ces neutrons sont nouveaux pour le monde scientifique, qui n’en a jamais manipulés. Et même le Prix Nobel de Physique japonais Masatoshi Koshiba explique que « dans ITER, la réaction de fusion produit des neutrons de grande énergie, de 14 MeV (mégaélectronvolts) niveau jamais atteint encore. [...] Si les scientifiques ont déjà fait l'expérience de la manipulation de neutrons de faible énergie, ces neutrons de 14 MeV sont tout à fait nouveaux et personne à l'heure actuelle ne sait comment les manipuler ».
Et ces neutrons rapides sont en effet capables de générer des quantités importantes de déchets radioactifs en entrant en collision avec les parois du réacteur. « S’ils doivent remplacer les absorbeurs tous les six mois, cela entraînera un arrêt des opérations qui se traduira en un surcoût de l'énergie ».
2. L’étanchéité
Comme on l’a vu précédemment la réaction de fusion nucléaire nécessite un vide absolu, chose fort difficile à réaliser dans le réacteur, ce qui a entraîné l’apparition d’un nouveau problème.
Mais avant d’aborder celui-ci, rappelons rapidement le phénomène de fusion : on sait qu’il aboutit de cette réaction l’apparition d’électrons « rapides », ainsi que de radioactivité alpha. Or c’est cette radioactivité qui est à l’origine de la production d’hélium. Celui-ci migre dans la paroi, se ramasse en bulles de gaz et la fait gonfler, ce qui entraîne la perte de son étanchéité, et donc la perte du vide absolu nécessaire à la réaction. Et cette défaillance entraînerait de fréquents changements de cette paroi, ce qui aurait pour conséquence d’augmenter la quantité de déchets nucléaires déjà importante.
Le problème n’a pour seule solution que la découverte d’un matériau qui soit perméable à l’hélium, mais totalement étanche pour permettre le maintien de la fusion. "Poreux et étanche : c'est évidemment contradictoire et personne ne connaît la solution. Ce problème était tellement complexe qu'il était prévu de l'étudier avec une machine spéciale, l’Ifmif (International fusion materials irradiation facility), que les négociateurs d'ITER ont finalement prévue au Japon, mais dans un avenir incertain. Ce problème de matériau était bien sûr connu depuis longtemps. Faute de le résoudre, la fusion n’aurait jamais produit d'électricité commercialisable. Or Ifmif coûtait environ dix fois moins qu'ITER. Alors certains se demandaient « pourquoi n’a-t-on pas commencé par là ? »" (Source : Jacques Treiner et Sébastien Balibar )
Il se produit ensuite le phénomène suivant :
Néanmoins, ce problème « insoluble » a sa solution : le confinement magnétique (mentionné dans le I). En fait, il faut savoir que le plasma est un fluide électriquement conducteur, mais globalement neutre, dans lequel les ions et les électrons se déplacent presque indépendamment les uns des autres. Plongés dans un champ magnétique, ils vont suivre des trajectoires en forme d’hélices qui s’enroulent autour des lignes de champ et y restent « piégés ».
Par ailleurs il existe également une autre technique de confinement appelé confinement inertiel, mais que nous ne traiterons pas au cours de ce mémoire, car il est beaucoup moins utilisé.
3. Le confinement magnétique
Voici une rapide explication du principe de confinement magnétique, qui sera abordé plus en détail lors de l’oral.
(Pour
plus de détails : Clefs CEA n°49 - Printemps
2004 - page 48)
• Dans un plasma à l’état libre (a), les particules ont une trajectoire aléatoire et vont s’échapper.
• Si ce plasma baigne dans un champ magnétique rectiligne (b), les particules s’enroulent autour des lignes de champ et ne peuvent plus atteindre les parois latérales.
• Afin d’éviter par ailleurs les pertes aux extrémités du champ magnétique, la « boite » est refermée en tore (c).
• Enfin, pour minimiser encore les fuites de particules, les lignes de champ doivent être hélicoïdales (d). En effet, avec cette forme torique, le champ magnétique est plus important vers la paroi intérieure de la « boite ». Les particules chargées, subissant d’une part la force centrifuge (due à leur rotation à grande vitesse) et l’inhomogénéité du champ magnétique ont tendance à se séparer, vers le haut et vers le bas, et elles finissent par sortir de leur piège. Pour compenser cette dérive, il est donc nécessaire que les lignes de champ soient comme on le voit en (d).
Source : CEA
B. Le problème des enceintes de confinement
1. Les « neutrons libres »
Pour expliquer ce problème, il faut tout d’abord se remémorer la réaction de fusion qui est utilisé dans ITER ; Il s’agit de lier une molécule de deutérium avec une molécule de tritium, afin d’obtenir comme on l’a vu plus haut une molécule d’hélium ainsi qu’un neutron.
Lors de la réaction de fusion, se sont en partie ces électrons qui fournissent l’énergie, en plus du rayonnement (radioactivité alpha).
Et c’est à ces neutrons, appelés « neutrons rapides », que nous allons nous intéresser. Ils tirent leur énergie de la vitesse à laquelle ils sont émis (on sait en effet que l’énergie E=1/2.m.c²) et qui, comme leur nom l’indique, est importante. Or, ces neutrons sont nouveaux pour le monde scientifique, qui n’en a jamais manipulés. Et même le Prix Nobel de Physique japonais Masatoshi Koshiba explique que « dans ITER, la réaction de fusion produit des neutrons de grande énergie, de 14 MeV (mégaélectronvolts) niveau jamais atteint encore. [...] Si les scientifiques ont déjà fait l'expérience de la manipulation de neutrons de faible énergie, ces neutrons de 14 MeV sont tout à fait nouveaux et personne à l'heure actuelle ne sait comment les manipuler ».
Et ces neutrons rapides sont en effet capables de générer des quantités importantes de déchets radioactifs en entrant en collision avec les parois du réacteur. « S’ils doivent remplacer les absorbeurs tous les six mois, cela entraînera un arrêt des opérations qui se traduira en un surcoût de l'énergie ».
2. L’étanchéité
Comme on l’a vu précédemment la réaction de fusion nucléaire nécessite un vide absolu, chose fort difficile à réaliser dans le réacteur, ce qui a entraîné l’apparition d’un nouveau problème.
Mais avant d’aborder celui-ci, rappelons rapidement le phénomène de fusion : on sait qu’il aboutit de cette réaction l’apparition d’électrons « rapides », ainsi que de radioactivité alpha. Or c’est cette radioactivité qui est à l’origine de la production d’hélium. Celui-ci migre dans la paroi, se ramasse en bulles de gaz et la fait gonfler, ce qui entraîne la perte de son étanchéité, et donc la perte du vide absolu nécessaire à la réaction. Et cette défaillance entraînerait de fréquents changements de cette paroi, ce qui aurait pour conséquence d’augmenter la quantité de déchets nucléaires déjà importante.
Le problème n’a pour seule solution que la découverte d’un matériau qui soit perméable à l’hélium, mais totalement étanche pour permettre le maintien de la fusion. "Poreux et étanche : c'est évidemment contradictoire et personne ne connaît la solution. Ce problème était tellement complexe qu'il était prévu de l'étudier avec une machine spéciale, l’Ifmif (International fusion materials irradiation facility), que les négociateurs d'ITER ont finalement prévue au Japon, mais dans un avenir incertain. Ce problème de matériau était bien sûr connu depuis longtemps. Faute de le résoudre, la fusion n’aurait jamais produit d'électricité commercialisable. Or Ifmif coûtait environ dix fois moins qu'ITER. Alors certains se demandaient « pourquoi n’a-t-on pas commencé par là ? »" (Source : Jacques Treiner et Sébastien Balibar )
Schématisation du
Problème
d'Etanchéité |
Il se produit ensuite le phénomène suivant :
Néanmoins, ce problème « insoluble » a sa solution : le confinement magnétique (mentionné dans le I). En fait, il faut savoir que le plasma est un fluide électriquement conducteur, mais globalement neutre, dans lequel les ions et les électrons se déplacent presque indépendamment les uns des autres. Plongés dans un champ magnétique, ils vont suivre des trajectoires en forme d’hélices qui s’enroulent autour des lignes de champ et y restent « piégés ».
Par ailleurs il existe également une autre technique de confinement appelé confinement inertiel, mais que nous ne traiterons pas au cours de ce mémoire, car il est beaucoup moins utilisé.
3. Le confinement magnétique
Voici une rapide explication du principe de confinement magnétique, qui sera abordé plus en détail lors de l’oral.
• Dans un plasma à l’état libre (a), les particules ont une trajectoire aléatoire et vont s’échapper.
• Si ce plasma baigne dans un champ magnétique rectiligne (b), les particules s’enroulent autour des lignes de champ et ne peuvent plus atteindre les parois latérales.
• Afin d’éviter par ailleurs les pertes aux extrémités du champ magnétique, la « boite » est refermée en tore (c).
• Enfin, pour minimiser encore les fuites de particules, les lignes de champ doivent être hélicoïdales (d). En effet, avec cette forme torique, le champ magnétique est plus important vers la paroi intérieure de la « boite ». Les particules chargées, subissant d’une part la force centrifuge (due à leur rotation à grande vitesse) et l’inhomogénéité du champ magnétique ont tendance à se séparer, vers le haut et vers le bas, et elles finissent par sortir de leur piège. Pour compenser cette dérive, il est donc nécessaire que les lignes de champ soient comme on le voit en (d).
Source : CEA