La fusion thermonucléaire

Thèmes : sciences, économie.
Conférence du mardi 13 janvier 1981.

« La fusion thermonucléaire ; où en est-on aujourd’hui ? son avenir pour la production d’électricité »

 

Monsieur GOURDON, adjoint au chef du département de fusion contrôlée au Commissariat à l’énergie atomique, a traité le sujet avec un enthousiasme évident, et une richesse telle que le présent compte rendu, malgré sa longueur, n’en présentera que l’essentiel.

D’emblée, Monsieur GOURDON dit que le problème est vaste, que la fusion nucléaire n’en est qu’à ses débuts, qu’elle sera la source d’énergie de l’avenir dès qu’elle sera « contrôlée », sans doute pour l’an 2020 -2030.

Il abordera quatre questions :

• Qu’est-ce que la fusion nucléaire ?
• Comment peut-on la réaliser ?
• Où en sont les recherches ?
• Quel est son avenir ?

Un rappel concernant les consommations relatives en énergies primaires en 1980 :

• charbon : 18,8 %
• pétrole : 55,2 %
• gaz naturel : 13 %
• hydraulique : 7,3 %
• nucléaire : 5,7 % (pour la seule production d’électricité)

TOTAL : 100 %

y ajouter : géothermie, soleil, vent, pour une faible part.

 

COMBUSTION – FISSION – FUSION

La COMBUSTION du carbone (C) dans l’oxygène (O₂) :

C + O₂   —> CO₂ + Q

Q correspond à l’énergie de liaison de la molécule, ici 4 eV (électron-volt), soit 7800 calories par gramme de carbone, énergie calorifique (d’origine chimique) suffisante pour élever de 7°8 la température de 1000 g (= 1 litre d’eau).

Ce qui correspond à : 7800 x 4,185 / 3600 = 0,01 kWh environ

FISSION

1 neutron rencontrant un noyau d’Uranium 235 (U235), le brise en 2 éléments X et Y, éjecte 2,8 neutrons et libère une quantité Q d’énergie de liaison (de l’ordre de 200 millions d’électron-volts : 200 MeV).

U235 + n₁ —> X⁹³ + Y¹⁴⁰ + 2,8 n₁ + Q

Ce qui pour 1 g. d’uranium correspond à 20 milliards de calories.

FUSION

C’est, pourrait-on le contraire de la fission ; dans la fission, on part d’un atome lourd que l’on brise ; dans la fusion, on part de deux atomes légers que l’on réunit en un seul plus lourd.

On peut partir de deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium qui, comme l’hydrogène, n’ont qu’un électron périphérique :

D₂ + T₃  —> He₄ + n₁ + Q (D = Deutérium, T = tritium, He = hélium, n =neutron)

Q énergie de liaison 17,6 MeV

Ce qui, par gramme de deutérium et de tritium, donne aux environs de 80 milliards de calories, soit 4 fois plus que la fission pour 1 g. de matière,

Ou encore la quantité de calories est plusieurs millions de fois plus grande que la combustion d’un gramme de carbone

80 000 000 000 / 7800 = 10 000 000

et pour l’Uranium 235 : 20 000 000 000 / 7800 = 2 500 000

Ainsi :

2 500 000 kg de charbon donneraient autant d’énergie qu’un kg d’Uranium235 et 10000000 kg de charbon autant qu’un kg d’un mélange de deutérium et de tritium.

Si, pour produire 1 milliard de kWh, il faut 330 000 tonnes de charbon, pour la même énergie, il suffit de :

330000000 / 2500000 = 132 kg = 0,132 T d’U²³⁵ et

330 000 000 / 10 000 000 = 33 kg = 0,033 T d’un mélange de deutérium et de tritium.

 

COURBE DES ÉNERGIES MOYENNES DE LIAISON PAR NOYAU.

Courbe précieuse pour savoir si une réaction nucléaire libérera de l’énergie.

A mesure que la masse atomique augmente, la courbe descend rapidement ; elle atteint son minimum de 60 ( 8,7 MeV par noyau), puis augmente lentement jusqu’aux noyaux les plus lourds (par ex. U²³⁵).

Il y a donc deux façons d’atteindre les énergies de liaison les plus fortes qui assurent la stabilité du noyau =

• soit à partir des éléments les plus légers (à gauche) par fusion.
• soit à partir des éléments les plus lourds (à droite) par fission.

 

FILM.

On assiste à ce moment de l’exposé à la projection d’un film très remarquable sur l’énergie de fusion.

Il précise :

• que le deutérium est très abondant dans l’eau de mer en particulier (30 g. par m3) et qu’ainsi il est pratiquement inépuisable.
• que le tritium est instable (12 ans de vie). Il faudra donc le fabriquer à partir du lithium soumis à un bombardement de neutrons.

Il donne des données intéressantes sur les énergies libérées :

 

CONDITIONS A RÉALISER POUR OBTENIR LA FUSION.

Pour deutérium et tritium, il faut :

• un long temps de confinement ,
• une température très élevée,
• un éloignement de toute paroi matérielle,
• et, bien sûr, il faut que l’énergie produite soit supérieure à l’énergie dépensée pour « allumer » la réaction,
• une certaine concentration n.

En portant le mélange D + T à très haute température (100 000 000 de degrés), on augmente l’agitation thermique des atomes, l’énergie des chocs entre eux, ce qui conduit à leur fusion ; d’où l’expression « réaction thermonucléaire ».

La réaction peut s’emballer … si on ne la contrôle pas, on a la bombe thermonucléaire … qui a déjà été expérimentée.

Il faut un certain temps de confinement en secondes, et une certaine densité n par cm³ tels que le produit :
n soit au moins égal à 10¹⁴ ,  n étant exprimé en nombre d’atomes par cm³ et en secondes.

Comment confiner D + T que les hautes températures ont transformé en un 4ème état de la matière = le plasma mélange d’ions positifs et d’électrons négatifs ?

Deux solutions :

• par confinement inertiel :
  • cas de la bombe H. « L’allumette » est une petite bombe A (au plutonium ou à l’uranium 235). Elle sert de détonateur. L’énergie dégagée est considérable mais elle n’est pas « contrôlée ».
  • cas du laser qui provoque une micro-explosion, où = 10^-10 et n = 10²⁵

d’où le produit : 10^-10 x 10²⁵ = 10¹⁵, produit supérieur au produit requis 10¹⁴

• par confinement magnétique :

C’est le physicien soviétique SAKHAROV qui a découvert la « bouteille magnétique », enceinte immatérielle qui maintient le plasma.

Le plasma suit, en décrivant des hélices, les lignes du champ magnétique plutôt que de les traverser ; il est ainsi enfermé.

La réaction est amorcée par des oscillations à haute fréquence entre l’anneau et le tube qui renferme le deutérium à basse pression.

On peut obtenir : n ~ 10¹⁴ , ~1 sec, ce qui donne le produit requis 10¹⁴

On a pu obtenir des températures de 10 000 000 de degrés.

Le film a montré le montage du « transformateur » dont le secondaire est le cordon de plasma, appareil considérable digne de l’industrie lourde.

Il s’agissait en particulier de l’appareil du centre de Grenoble.

Le confinement magnétique interdit au plasma de rencontrer les parois et maintient au plasma une densité suffisante pour maintenir la réaction.

Le film a fait apparaître la notion de « défaut de masse ».

défaut de masse m= (2 + 3)-4 = 1

Cette perte de masse m correspond à la libération d’une énergie E.

E = m c² (relation d’Einstein) où c est la célérité de la lumière.

 

LA BARRIÈRE ENERGETIQUE.

Pour que deux éléments légers, comme les isotopes de l’hydrogène, se fusionnent, il faut vaincre les forces de répulsion électrostatique entre deux noyaux positifs. Il faut leur communiquer, par haute température, une énergie suffisante pour leur faire franchir la « barrière ».

Elle est de l’ordre de 0,28 MeV.

Elle obéit à la relation : E = Z1 x Z2 / d2

E = énergie potentielle de la barrière

Z1, Z2 = charges des 2 noyaux

d = distance entre les 2 noyaux

 

OU EN EST-ON ?

• pour les températures
  • 1956 U.R.S.S. 2 millions de degrés
  • 1973 U.R.S.S. 5 millions de degrés
  • 1976 France 20 millions de degrés
  • 1978 U.S.A. 60 millions de degrés
• produit n x
  • 1970 U.R.S.S. 5 x 10¹¹
  • 1976 France 2 x 10¹²
  • 1978 U.S.A. 3 x 10¹³

on approche donc de n x >= 10¹⁴

• moyens
  • personnel : 3000 ingénieurs et physiciens sont attelés au problème dans le monde.
  • budget :
    • U.S.A. = 1,5 milliards francs
    • Japon = 1 milliard de de francs
    • Communauté européenne = 1 milliard de de francs (dont 1 milliard de de francs pour la France)
    • U.R.S.S.= mal connu.
• énergie récupérée
  • 20% restent dans le plasma pour maintenir la fusion (il faut noter en effet que contrairement à la fission, il n’y a pas de réaction en chaine). Il faut un auto-entretien.
  • 80% sont évacués par les neutrons qu’on arrête dans une « couverture » dans laquelle circule le fluide caloporteur (eau hélium).
• entretien
  • introduire du deutérium.
  • introduire du tritium qu’il faut fabriquer par bombardement du lithium par les neutrons. L’opération se fait dans la « couverture ».

Les problèmes qui se posent sont :

• porter le plasma à 100 000 000°C,
• avoir une « couverture » fertile,
• avoir des bobinages pouvant être parcourus par de fortes intensités, sans échauffement (faire appel à la supraconductivité).
• régénérer le Tritium,
• problèmes de protection.

Il y a lieu de noter que la fusion ne donne pas de déchets radioactifs.

 

AVENIR

• Faisabilité physique.
  • JET = en 1985
• Faisabilité techno logique
  • NET = en 1990
  • DEMO= en 2000 prototype de réacteur de démonstration.
• Filière de distribution au public
  • pour 2020 -2030

Belle promesse, la quantité de deutérium étant illimitée à l’échelle humaine tandis que celle de l’Uranium235 s’épuisera … comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel.

Conférence de haute qualité, vivement applaudie.

 

 

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