Ancien directeur de recherche au cnrs





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ITER

Chronique d’une faillite annoncée

Jean-Pierre Petit

Ancien directeur de recherche au CNRS

Physicien des plasmas, spécialiste de MHD

 

ITER et la première étape d’un projet, pharaonique, à 19 milliards d’euros qui n’attend qu’un financement pour que le projet démarre.

iter.gif

Très peu de gens connaissent les principes de base des machines qui, partant de cette première machine ITER, seraient censées déboucher sur des générateurs électriques utilisant la fusion comme source d’énergie.

L’image ci-dessus représente ce générateur d’énergie thermique qui doit, au terme de plus de 50 années de « Recherche et Développement » déboucher sur des générateur nucléaire d’électricité utilisant l’énergie dégagée par la fusion de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium. Le schéma de cette fusion est le suivant :

reaction_d_t.jpg

Pour que cette réaction nucléaire puisse se produire, il faut que la température atteigne 100 millions de degrés, ce qui revient à porter la vitesse d’agitation thermique de ces noyaux d’isotopes de l’hydrogène à près de 1000 km/s. Un milieu porté à une telle température ne saurait être contenu dans une paroi matérielle. On a donc envisagé, dès les années cinquante, de confiner magnétiquement un tel plasma, complètement ionisé, c’est à dire qui est un mélange d’électrons libres et d’ions hydrogène, à l’aide d’un champ magnétique.

La « bouteille magnétique » qui contient ce plasma de fusion a été imaginée en 1950 par le Russe Andréi Sakharov et s’appelle un tokamak. Cette machine est constituée par une chambre en forme de tore, que l’on remplit avec un mélange de deutérium et de tritium, sous basse pression. Le deutérium est inoffensif et se trouve en quantités illimitées dans la nature, dans l’eau. Le tritium est radiotoxique et se décompose par radioactivité béta en 12,3 années. Les quantités créées dans la haute atmosphère par les rayons cosmiques agissant sur des noyaux d’azote sont si infimes qu’on peut dire « qu’il n’existe pas à l’état naturel » : on estime à 3,6 kilos le tritium présent sur Terre, créé de cette façon.

C’est en 1997 que les Anglais ont réussi à obtenir une production d’énergie par fusion, à l’aide de cette réaction, pendant une seconde, dans la machine JET (Joint European Torus).

jet_cut_away.jpg

La machine JET anglaise. Le petit personnage donne l’échelle

On distingue huit énormes poutrelles d’acier, enserrant la machine. Pourquoi des sections aussi énormes ? Parce que le champ magnétique créé par la machine, 3,85 Teslas, engendre des forces considérables, qui tendraient à faire exploser les bobines qui les créent, qui doivent ainsi être solidement bridés.

On verra plus loin comment fonctionnent ces machines. Dans le JET, le champ magnétique est fourni par des bobinages, des solénoïdes non-supraconducteurs. Celui-ci ne peut donc pas être maintenu pendant plus de quelques dizaines de secondes à cause de l’intense dégagement de chaleur dû à l’effet Joule.

Les Français ont construit une machine similaire, où le champ magnétique atteint la même valeur, mais peut être maintenu sans limitation de temps, étant produit par des bobines supraconductrices. Il suffit pour ce faire de les refroidir à très basse température, avec de l’hélium liquide. Comme le JET, cette machine Tore-Supra doit aussi être puissamment bridée par un système de poutrelles d’acier. L’aspect général de Tore Supra est similaire à celui du JET, en plus petit. On en trouvera une image plus loin.

De la fission à la fusion

Il est intéressant, avant de développer ce thème de production d’énergie par la fusion, de présenter quelques images, qui suffisent à illustrer l’abîme de complexité qui sépare la technologie de la fission de celle de la fusion dite « contrôlée ». Avant la guerre de 39-45 des scientifiques décelèrent la possibilité de réaliser une réaction en chaine à partir d’atomes d’uranium 235. Par la suite il s’avéra également possible de réaliser cette opération, aux fins de construire des bombes, bien évidemment, avec du plutonium 239, qui n’existait pas dans la nature, ayant une durée de vie trop faible : 24.000 ans, comparée aux 4 milliards et demi d’années de l’uranium 235.

En 1942 l’italien Enrico Fermi fit donc construire le premier réacteur nucléaire dans une ancienne salle de squash, située sous les gradins du stade de l’université de Chicago. Le montage était fort simple. Il suffisait de loger des barres contenant de l’uranium au sein d’une masse de blocs de graphite, jouant le rôle de modérateur, de ralentisseur de neutrons. En effet, en ralentissant les neutrons émis lors de réactions de fission, on accroissait leurs chances d’entraîner de nouvelles fissions dans des atomes d’uranium 235 voisins.

reacteur_fermi.gif

Le premier réacteur nucléaire, construit à Chicago par Fermi en 1942

On pourra trouver toute une présentation de ces techno-sciences nucléaire dans la bande dessinée présente sur le site de l’association Savoir sans Frontières (http://www.savoir-sans-frontieres.com), intitulée :

Energétiquement votre

Téléchargeable à l’adresse :

http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm

Comme expliqué également dans cet album, un réacteur nucléaire se complète par des barres de cadmium, absorbeur de neutrons, permettant de contrôler le rythme des fissions, voir de stopper le réacteur. Ci-dessous, les barres de contrôle du premier réacteur construit par Fermi :

reacteur_fermi_controle.gif

Contrôle du réacteur par des barres de cadmium

En construisant ces « piles atomiques », comme on les appelait à l’époque, les scientifiques ne cherchaient pas à produire de l’énergie, sous forme de chaleur, mais du plutonium 239 , en bombardant de l’uranium 238 avec des neutrons, toujours dans le but de créer des bombes. Voir encore à ce sujet l’album cité plus haut.

Ce premier réacteur n’avait pas nécessité de système de refroidissement, puisqu’il ne dégageait que 240 watts de chaleur. Néanmoins, tous les phénomènes étaient à cette époque suffisamment compris et maîtrisés pour qu’on puisse, dans le site de Hanford, passer à un réacteur dégageant un million de fois plus d’énergie. Les 240 mégawatts thermiques étaient cette fois évacués par une circulation d’eau se déversant dans la rivière Colombia.

Ce n’est que beaucoup plus tard que l’on songea à utiliser les réacteurs nucléaires pour produire de l’énergie, transformée en électricité à l’aide d’un ensemble turbine à vapeur + alternateur. Mais on voit que si cela avait été le but premier poursuivi, il aurait suffi de quelques mois pour déboucher sur une centrale produisant des centaines de mégawatts d’électricité.

La fusion est infiniment plus complexe et problématique. En fait, il aura fallu un demi-siècle pour qu’un réacteur, le JET anglais, produise de l’énergie pendant une seconde.

Comment fonctionne un tokamak ?

On introduit dans la chambre toroïdale le mélange de fusion, en basse pression. On crée, à l’aide d’un premier ensemble de bobines un champ magnétique dit « toroïdal ». Dans un réacteur à but industriel ces bobines seraient constituées d’éléments supraconducteurs.

champ_toroidal.jpg

En rouge : les bobines supraconductrices.

En bleu : les lignes du champ magnétique « toroïdal »

Puis on ionise le contenu de la chambre en forme de tore à l’aide d’hyperfréquences. Enfin on crée un courant plasma, par induction, en faisant croître un champ magnétique créé par un solénoïde disposé selon l’axe de la machine :

bobine_centrale.jpg

Le plasma est indiqué en rouge. Ce courant plasma crée son propre champ magnétique, qui se compose avec celui qui est créé par les bobines en donnant des lignes de champ disposées selon des spirales.

Quand la température du plasma atteint 10 millions de degrés, les électrons progressent si rapidement dans ce milieu peu dense qu’ils passent à côté des ions sans interagir. L’effet Joule, qui résulte des collisions entre électrons et ions, disparaît. On pourrait croire alors que le milieu deviendrait supraconducteur. En fait il est nécessaire d’entretenir ce courant plasma à l’aide d’ondes, analogues à ce qui est utilisé dans les accélérateurs de particules. Ces impulsions données aux électrons compensent les pertes qui, en l’absence de ce current drive, feraient tomber la valeur du courant plasma à zéro en quelques millisecondes.

Détail : on ne sait pas modéliser ces pertes.

Un système additionnel de solénoïdes, dont le courant est piloté par ordinateur, permet de contrôler la position du plasma, dans le sens haut-bas. Le schéma complet du tokamak correspond alors à la figure ci-après :

schema_tokamak.jpg

Schéma d’un tokamak

Ce système ne permet pas d’obtenir la température minimale, de 100 millions de degrés, qui provoque l’établissement de réactions de fusion auto-entretenues. On fait alors intervenir des moyens additionnels de chauffage : hyperfréquences et injections de neutres. C’est grâce à cela que des réactions de fusion ont pu être obtenues pendant une seconde dans la machine JET. On procéda d’abord avec un mélange deutérium-deutérium, en poussant la température à 150 millions de degrés. Quelques expériences furent faites avec le mélange deutérium-tritium, mais assez peu. En effet le tritium, radiotoxique, a la propriété de s’infiltrer partout et ceci aurait rendu impossible une inspection de la chambre par des techniciens, celle-ci étant devenues radioactive.

L’acquit expérimental

Les expériences menées sur le JET, étant de très brève durée, ne permettaient pas d’obtenir des données concernant la tenue des matériaux constituant la première paroi, la paroi face au plasma. Dans la machine française Tore-Supra on testa un revêtement de carbone, analogue à celui qui sert de revêtement sur la navette spatiale.

Le carbone était a priori un bon candidat. Il se sublime à 2500°C et possède une bonne conductivité thermique. On entreprit de tester des systèmes à eau pressurisée qui, placés de l’autre côté des éléments du revêtement, collectaient les calories.

Un phénomène imprévu se manifesta, qu’on nomme sputerring. Les chocs contre les parois d’ions hydrogène et une photo-abrasion firent que de nombreux atomes de carbone envahirent la chambre d’expérience.

En se combinant avec l’hydrogène, ils formaient des carbures qui se redéposaient ensuite sur le revêtement, nuisant à sa conductivité calorifique. Mais, pire encore, ce phénomène, au cas où la machine aurait fonctionné avec du tritium, aurait très vite transformé les plaques de carbone en déchets radioactifs. On dut donc abandonner le carbone.

Les cellules tritigènes

Le tritium n’existant dans la nature qu’à l’état de traces infimes, il avait été prévu d’utiliser le stock détenus par les canadiens, qui le fabriquent avec un type spécial de réacteurs nucléaires, les réacteurs CANDU. Mais il serait exclu d’alimenter ITER (et ses successeurs) de cette façon. On a donc envisagé de faire en sorte que la machine recrée son propre combustible à partir de lithium selon la réaction :

reaction_li_n.jpg

La réaction permettant la régénération du tritium

On notera que pour recréer un atome de tritium, qui serait alors récupéré et réinjecté dans la chambre, il faut disposer d’un neutron, issu de la réaction de fusion présentée précédemment. Au total, le fonctionnement du réacteur équivaut à :

6Li (lithium) + n (neutron)  3H (tritium) + 4He (hélium) + énergie

Pour que le réacteur fonctionne, il faudrait que ces modules tritigènes (recréant le tritium), qui tapissent la paroi, soient à même de capter l’intégralité des neutrons émis, ce qui est impossible. Ces cellules tritigènes ne couvrent pas la totalité de la paroi :

couverture_tritigene.jpg

Disposition des éléments régénérateurs de tritium sur la paroi d’ITER.

La partie basse correspond à l’emplacement du divertor, ou système de pompage, et les différentes fenêtres à des orifices par lesquels de l’énergie est injectée, en périphérie, ou à des points de mesures.

De nombreux neutrons viendront donc s’insérer dans la paroi, en rendant les matériaux radioactifs, par radioactivité induite, « l’activation », produisant ainsi des déchets.

Pour assurer la régénération du tritium il faut faire intervenir une substance qui joue un rôle de multiplicateur de neutrons. Le plomb peut remplir cette fonction. On a alors envisagé des modules tritigènes en forme de bananes, où circulerait un mélange de lithium et de plomb, à l’état liquide, dans des tubulures voisinant avec un second circuit, collectant les calories, où circulerait de l’eau sous une pression de 75 bars.

tritigene_lithium_plomb_eau.jpg

Modules tritigènes étudiés par le Commissariat à l’Energie Atomique1

Comme on le verra plus loin, le recours à cette formule est extrêmement dangereux, en cas d’incident grave, le lithium explosant au contact de l’eau (comme le sodium).

Une seconde formule consiste à lier le lithium dans une céramique. Il faut alors recouvrir les modules d’un corps faisant office de doubleur de neutrons, en l’occurrence du béryllium, qui fait office de première paroi et fond à 1280°C . La réaction de multiplication des neutrons est alors :

multiplicateur_beryllium.jpg

Un neutron frappant un atome de béryllium donne deux neutrons, deux noyaux d’hélium et de l’énergie. L’hélium ne peut se lier à aucun corps. Ces atomes d’hélium se comportent ainsi, partout où ils sont créés par transmutation comme des impuretés, qui finissent par fragiliser les structures. Dans ITER, le choix s’est porté sur une première paroi en béryllium, d’un centimètre d’épaisseur.

Le problème de la pollution du plasma

Celui-ci est sans cesse contaminé par des arrachements d’atomes. Le plasma perd de l’énergie par ce qu’on appelle le rayonnement de freinage (en allemand bremstrahlung).

Quand un électron passe à proximité d’un ion, chargé positivement, sa trajectoire est déviée et il émet un photon, c’est à dire un quantum de rayonnement. Cette perte est proportionnelle au carré de la charge électrique Z portée par l’ion. Pour les ions hydrogène, Z = 1.

Le carbone était intéressant car, ionisé, il ne portant que quatre charges électriques. Tous les éléments en contact avec le plasma sont susceptibles d’être la cause d’une pollution par des ions fortement chargés, engendrant des pertes radiatives susceptibles d’entraîner l’extinction du réacteur.

bremsstrahlung.gif
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