2006Christophe, Romain ITER la nouvelle génération de réacteur nucléaire.

Christophe, Romain 2006

ITER

la nouvelle génération de réacteur nucléaire


Evolution de nos besoins énergétiques

• Le développement de l'humanité nécessite des ressources énergétiques.

• Les besoins énergétiques vont continuer d'augmenter

Le 21ème siècle = siècle de forte demande énergétique aux niveaux

• quantitatif : au minimum un doublement• qualitatif : accès du plus grand nombre

à l'énergie "commerciale".

- l'augmentation de la population mondiale- 6 milliards en 2000 10 milliards en 2050.

- l'augmentation des besoins énergétiques des pays en voie de développement.


Comment produire de grandes quantités d’énergie ?Pour produire de l'énergie, il faut réaliser une transformation dans laquelle,

entre l'état initial et l'état final, un peu de la masse des corps en jeu a disparu.

Deux grands types de réactions nucléaires libérant de l'énergie sont possibles :Ce défaut de masse se retrouve alors sous forme d'énergie par la formule bien connue E=mc2 où E est l'énergie produite, m la masse disparue et c la vitesse de la lumière.

- A partir de noyaux d'atomes très légers (exemple le deutérium et le tritium) pour construire des atomes plus lourds, c'est la fusion.

- A partir du noyau d'un atome suffisamment lourd (par exemple l'atome d'uranium) pour en faire des atomes plus légers, c'est la fission.


Qu’est-ce que la fusion peut apporter à l’humanité ?

C’est une formidable source d’énergie !

1) Le « carburant » est inépuisable. En effet le lithium est présent dans la croûte terrestre en énorme quantité et le deutérium est présent dans tous les points d’eau. Par exemple, 1 kg de deutérium et 10 kg de lithium suffisent pour produite 1000 MW… un réacteur nucléaire ayant lui besoin de 500 kg d’uranium et une centrale thermique de 5000 tonnes de fuel ou 10 000 tonnes charbon.

2) C’est une réaction peu dangereuse car il suffit de baisser la température pour stopper la réaction : tout emballement est ainsi exclu.

3) Peu de déchets radioactifs sont émis : 90% d’entre eux ont une durée de vie assez courte.


Lors du Sommet de Genève en Novembre 1985, l'Union soviétique propose de construire la prochaine génération de tokamak* sur la base d'une collaboration intégrant les quatre partenaires majeurs du programme "fusion".

ITER : un projet issu d’une collaboration planétaire

En octobre 1986, les États-Unis, l'Europe et le Japon répondent favorablement à cette proposition. Le projet ITER est né et il regroupe sous les auspices de l'Agence Internationale de l'Énergie Atomique (AIEA ) quatre participants : les USA , le Japon, la Russie et l'Europe (à laquelle est associée le Canada).

ITER est donc la première installation expérimentale conçue via une collaboration

scientifique à l'échelle planétaire.


Qu’est-ce que le tokamak ?

Le tokamak est un réacteur conçu pour contenir le plasma.

•Le tokamak a été construit en forme de tore (anneau circulaire) pour que le plasma soit toujours en mouvement. Combiné avec les champs magnétiques intenses, cela permet de réduire la températures aux parois d’ITER car aucun matériaux terrestre ne peut résister à la température régnant à l’intérieur du réacteur. Le deutérium et le tritium à fusionner est alors enfermé à l'intérieur de parois immatérielles créées par des champs magnétiques.

C’est un courant qui allume le plasma contenue dans le réacteur. Le complément de chauffage se fait par onde ou faisceaux de particules (cela représente 40 mégawatts dans ITER).


Comment fonctionne le tokamak ?A) Les différentes étapes de fonctionnement :

1° Le réacteur est alimenté par des isotopes de l’hydrogène:

Un mélange de deutérium et de tritium est envoyé sous forme de glaçon dans le tore . Sous l’effet de la chaleur ce gaz vat passer à l’état de plasma : les noyaux deviennent alors indépendants, et acquièrent des vitesse extrêmes se heurtant

2° A 100 millions de degrés la réaction se déclenche:

Des bobines magnétiques créent un champ pour donner au plasma sa forme toroïdale, tandis que d’autres le repousse au loin des parois. La température est portée à 100 millions de degrés à l’aide d’injections d’atomes et d’ondes. La réaction à alors lieu

3°La chaleur récupérée produit de énergie:

Un circuit de refroidissement complexe, déployé dans la paroi : du réacteur récupère la chaleur émise lors de la réaction. Cette chaleur émise est ensuite transformée en électricité, comme dans n’importe centrale classique. Le réacteur ITER aura pour objectif de produire 500 mégawatts de chaleur pour 50 mégawatts d’énergie fournie


Comment fonctionne le tokamak ?

B) Coupe schématique d’un tokamak


Comment fonctionne le tokamak ?

C) Le système magnétique d’ITER

ITER contient des aimants que l’on peut classer en deux catégories distinctes:les bobines du champ poloïdal (6), et les bobines du champ toroïdal (comprenant le solénoïde centrale

Un des aimants d’ITER

Champ poloïdal

Champ toroïdal


Qu'est-ce que la fusion ?

La fusion est le mariage de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux de taille moyenne (entre l'hélium et le fer). Elle s'accompagne d'une très forte libération d'énergie.


Cette réaction est difficile à obtenir car la force nucléaire forte, qui attire et lie les nucléons, n'agit qu'à très faible distance alors que la force électrique crée en quelque sorte une barrière répulsive qui empêche les noyaux des atomes chargés positivement de s'approcher assez près les uns des autres.


Cette réaction est difficile à obtenir car la force: nucléaire forte, qui attire et lie les nucléons, n'agit qu'à très faible distance alors que la force électrique crée en quelque sorte une barrière répulsive qui empêche les noyaux des atomes chargés positivement de s'approcher assez près les uns des autres.

Les noyaux des atomes doivent fusionner,

- mais les noyaux comportent des nucléons dont les protons,

- mais deux charges (protons) de même signe se repoussent

Les noyaux des atomes doivent fusionner,- mais les noyaux comportent des nucléons dont les protons,- mais deux charges (protons) de même signe se repoussent

La Fusion nucléaire d’atomes nécessite des conditions physiques extrèmes de température et de pression qui n’existent qu’au coeur des étoiles.

Il faut des installations gigantesques pour récréer ces conditions physiques extrèmes


Qu'est-ce que la fusion ?

Pour que les noyaux fusionnent, il faut vaincre cette force électrique de répulsion :- il faut augmenter la

température pour augmenter la probabilité de choc et donc de fusion

(dans le soleil : plusieurs millions de dégrés)


Les contraintes de la fusion

Les températures requises pour la fusion thermonucléaire dépassent la centaine de millions de degrés !

A de telles températures, les électrons se sont détachés complètement du noyau ; on dit que l'atome s'ionise

et l'on entre alors, dans le quatrième état de la matière,

l'état de plasma.

Il n’existe pas de parois matérielles capables de supporter de telles températures : on utilise des champs magnétiques pour retenir la matière sur laquelle se produit la réaction.Les Tokamaks, inventés dans les années soixante par les Russes utilisent ce principe. A noter que les 20 millions de degrés furent atteints à Tore Supra entre 1973 et 1976. Et le Joint Européan Torus (JET) a atteint brièvement les 300 millions de degrés.


La fusion sur Terre

L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie.L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie.

Il a réussi à maîtriser celles-ci dans les bombes nucléaires de type H mais pas encore pour produire l'électricité.

L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie.


Pour une application civile de la fusion, la réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium qui s'agglomèrent en donnant un noyau plus lourd, celui de l'hélium.

L'homme cherche à maîtriser les réactions de fusion sur Terre pour récupérer cette fabuleuse énergie.


Pour une application civile de la fusion, la réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d'isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium qui s'agglomèrent en donnant un noyau plus lourd, celui de l'hélium.

Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux pour augmenter la probabilité qu'ils se rencontrent, l'homme se heurte à de nombreuses difficultés techniques.


Comment réaliser la fusion sur Terre ?

La voie de recherche la plus prometteuse et la plus étudiée consiste à maîtriser à très haute température un plasma confiné dans une boîte immatérielle en forme d’anneau créée par des champs magnétiques. On parle de « confinement magnétique ».

Plusieurs boîtes de ce type existent, la plus performante s’appelle Tokamak, acronyme de Toroidalnaya Kamera Magnitnymi Katushkami (chambre magnétique toroïdale, en russe).

Iter sera le plus grand Tokamak du monde. Le volume de son plasma sera de 800 m3. En comparaison, le plus grand Tokamak actuel, le JET a un plasma de 80 m3, et celui de Tore-Supra à Cadarache (France) de 25 m3.


ITER en FRANCE

Dans le sud de la France à Cadarache

Une installation pilote pour :- démontrer la faisabilité

scientifique de la fusion- valider les technologies

développées pour la fusion

L'objectif de la machine ITER est de démontrer la faisabilité scientifique de la Fusion, en réalisant une combustion contrôlée, et marginalement l'ignition, pendant une durée suffisante pour obtenir des conditions stationnaires dans tous les domaines caractérisant un plasma et son interaction avec les parois. Pour cela l'installation produira 500MW de puissance de fusion, sur une durée de 400 secondes.

http://www.iter.org/

http://www-fusion-magnetique.cea.fr/


Un réacteur de plus ?

Le Tokamak Tore-Supra (Cadarache, France), le seul grand réacteur ayant des aimants supraconducteurs, a quant à lui réalisé, le 18 septembre 2002, une décharge record en terme de durée : 4 min et 25 s contre seulement quelques secondes pour le JET.

Le but du programme Iter est de dépasser ces résultats très préliminaires et de réunir toutes les technologies développées aux quatre coins du monde afin de construire un réacteur commercialisable.

Un projet moins ambitieuxLe projet Iter de 1988 devait permettre d’atteindre le point de fusion


ITER, un projet ambitieux?

Un projet moins ambitieuxLe projet Iter de 1988 devait permettre d’atteindre le point d’ignition, c’est-à-dire le moment où la machine produit suffisamment d’énergie pour auto-entretenir la réaction de fusion.

Mais considéré comme trop cher, ce projet a été revu à la baisse : d’une machine capable de produire 1 500 MW d’énergie de fusion pendant 1 000 secondes, le réacteur proposé aujourd’hui ne produira que 400 à 500 MW pendant 400 secondes. Un projet plus modeste qui a permis de diviser le budget par deux.


Expérience ITER : conclusion

http://www.boursier.com/vals/all/feed.asp?id=2898

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