Projet final fusion D-T

Introduction

Afin d’introduire ce projet sur la fusion D-T, où les initiales réfèrent au deutérium et au tritium, il serait juste de définir ce mécanisme. La fusion, avant de susciter la convoitise scientifique sur Terre, est une réaction qui a lieu naturellement dans les étoiles. Ce n’est autre qu’une combinaison à haute température de petits noyaux atomiques qui vont former de plus gros noyaux. Pour la suite du projet, il est capitale de préciser que la masse du noyau obtenu est inférieur à la somme des masses des deux noyaux d’origine. La différence des masses est alors convertie en énergie.

Les recherches, sur cette nouvelle réaction, ont débuté en 1920 lorsque le physicien Aston découvrit « le défaut de masse » de l’hélium. Dans une formulation simpliste, ce « défaut de masse » correspond à la possibilité de récupérer une importante quantité d’énergie en forçant la fabrication d’un noyau d’hélium à partir d’éléments plus légers. Depuis ce jour, la communauté scientifique se passionne à chercher la meilleure façon de libérer une énergie comparable à celle du soleil. Pour anecdote, l’astronome anglais Eddington, à la suite de la découverte d’Aston, rêve que « l’Homme apprenne un jour à libérer [l’énergie générée par une réaction de fusion] et à l’utiliser à ses propres fins ». Son rêve est actuellement en cours de réalisation puisque toute la communauté scientifique est soucieuse de trouver un moyen afin d’approvisionner 9 milliards d’individus d’ici 2050, en énergie.

Ainsi, dans cette présentation, nous nous intéresserons à la fusion du Deutérium-Tritium et à ses grands principes, puis ensuite à l’énergie qu’elle produit, et enfin, nous explorerons l’univers du projet ITER du XXIème siècle, qui, nous l’espérons fera basculer l’énergie nucléaire vers un nouveau jour.

                        I. La fusion, un modèle controversé

a) Les points faibles de la fusion

Un des principaux points faibles est que la fusion n’en est encore qu’au stade expérimental et la maitrise de la technologie reste encore tangente.

De plus, le coût de la création du matériel pour mettre au point ce processus est d’un coût considérable, jusqu’à lors les nations ont investis plus de 10 milliards d’euros, et le projet est loin d’être terminé !

De même, il est encore très dur de démontrer que la fusion est bien une source fiable et donc ainsi de prouver qu’elle est capable de subvenir pendant plusieurs décennies aux besoins énergétiques de l’humanité.

●Et enfin reste le problème du passage à l’industrialisation. Même si le prototype est en mesure de marcher,il est juste de se demander si la contribution financière et scientifique fournies par les pays concernés sera suffisante à l’exploitation commerciale.

Cependant loin de nous l’idée de l’inquiétude, lorsque l’on voit que les points forts pallient très largement les quelques bémols.

b) Les points forts de la fusion

La fusion présente de très grand intérêt. En effet, c’est un processus bien moins dangereux que la fission puisqu’elle n’implique aucune réaction en chaine, ce qui signifie aucun risque d’emballement. Au moindre problème le plasma va refroidir et la réaction se stoppera d’elle même. Mieux encore, la fusion produit très peu de déchets, et pour ceux produis, ils sont moins radioactifs que ceux de la fission et recyclables avant 100 ans. Pour information complémentaire, la demi-vie du tritium est de 12,5 ans, soit sa radioactivité diminue de 250 fois en 100. Il n’est cependant pas nécessaire de préciser à madame la présidente, et à ses conseillers que la demi-vie de l’uranium 235 est de 710 millions d’années. De plus les ressources en combustibles pour la fusion, sont, quant à elles, quasi illimitées, ce qui n’implique aucune impasse économique, et plus encore, une stratégie économique !

Et il en va de soit que la fusion produit, bien sur, une plus grande quantité d’énergie que la fission.

                       II. La fusion et ses enjeux énergétiques

a) Le deutérium-Tritium

Le Deutérium est un isotope d’hydrogène de symbole 2^H. Pour en obtenir, il suffit de distiller de l’eau, qu’il s’agisse d’eau douce ou d’eau de mer. Les ressources de notre planète sont largement disponibles et quasiment inépuisables.

Le tritium, lui, est un autre isotope de l’hydrogène très radioactif de symbole 3^H. Sa désintégration est rapide mais il n’est présent dans la nature qu’à l’état de traces. Le tritium peut toutefois être produit par l’interaction d’un neutron et d’un atome de lithium d’après l’équation : 6^Li+ n -> 4^He+ T .

Le lithium est présent dans l’eau de mer, et selon des calculs statistiques l’eau des océans permettrait de subvenir aux besoins énergétiques mondiaux de l’humanité pendant environ 1 milliard d’années.

Le deutérium et le tritium sont deux éléments très bien distribués dans la planète, accessibles très facilement.

b) Comparaison avec la fusion à l’hélium

Parlons sans contraintes et avouons-nous que le projet de fusion entre le deutérium et l’hélium est notre principal adversaire. C’est pourquoi il est de notre devoir de vous dissuader d’opter pour leurs solutions.

L’un des premiers points quelque peu déroutant est que l’hélium qui leur est nécessaire pour accomplir leur fusion se trouve sur la lune. Et nous ne pensons pas qu’un voyage sur la lune fasse partie d’une stratégie économique très fiable. Sachant que cette dernière ne cesse de s’enterrer. En effet, créer un tel projet aurait un coût exorbitant. Et il va sans dire que pour combler un tel déficit monétaire, la seule alternative est l’augmentation considérable et sournoise de nos impôts. L’hélium n’est donc pas un combustible “bon marché” ce qui ajoute un obstacle à l’avancée scientifique de la réalisation future de ce projet. En effet celle-ci ressemble à la réaction de fusion entre le deutérium et le tritium or, bien que celle-ci soit avantageuse au niveau de la production d’énergie qui reste supérieure à celle créée lors d’une réaction de fusion D-T, elle demande néanmoins un apport en énergie extérieure supérieur à cette dernière. La température extérieure apportée se doit d’être supérieure dans le but que les noyaux d’hélium et de deutérium puissent alors s’entrechoquer et ainsi débuter la réaction de fusion. Par rapport à la fusion D-T, on peut dire qu’elle est plus avantageuse dans la production d’énergie mesurée par les scientifiques mais, elle est moins avantageuse d’un point de vue économique ainsi que d’énergie nécessaire extérieure à apporter. Il faut également souligner le fait, non sans importance, que notre pays traversant et étant bouleversé par une crise mondiale, il est de notre devoir de veiller sur ses dépenses. Et nous vous le demandons, qu’est ce qu’une légère différence énergétique face à une considérable différence économique?

c) Comment la fusion produit elle de l’énergie ?

Comme nous vous l’avons annoncé au préalable, lors de la fusion, le noyau créé à une masse moins importante que la somme des masses des deux noyaux initiaux. Ce phénomène de perte de masse est exprimé dans la célèbre formule d’Einstein E = m c². La perte de masse (Δ m) va être multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c²). Leur produit donne un nombre très élevé (E) qui correspond à la création d’atomes d’hélium, qui vont libérer une quantité d’énergie considérable.

Afin de procéder à leur fusion, les noyaux de deutérium et de tritium vont utiliser leur propre énergie. C’est cette énergie qui va permettre de créer un noyau d’hélium. Cependant pour le deutérium et le tritium c’est une perte énergétique, le résultat est donc négatif. Cette énergie négative, résultante de l’énergie perdue, puisque utilisée par D-T lors de la fusion, a un nom spécifique : l’énergie de liaison, notée El. Il n’y a pas de différence entre E et El, à part part que El sera, numériquement, précédée du signe moins puisqu’elle signifie l’énergie perdue par les noyaux lors de la fusion. E, désigne en fait, cette même énergie sauf qu’au lieu de la percevoir comme une perte pour les noyaux deutérium et tritium, on la considère comme un gain d’énergie pour le noyau d’hélium créé.

Cette énergie de liaison s’exprime en fonction du défaut de masse

El = (Δ m) * c²

El : énergie de liaison du noyau (en MeV)

Δ m : défaut de masse du noyau (en kg)

c : célérité de la lumière dans le vide (en m/s)

Il est aussi possible de calculer l’énergie de liaison par nucléons, qui n’est autre que le quotient de son énergie par le nombre de nucléons. On la note : EA.

EA= El /A

EA: énergie de liaison par nucléon (en MeV/nucléon)

El: énergie de liaison du noyau (en MeV)

A: nombre de nucléons du noyau

Remarque: EA permet de comparer la stabilité des noyaux entre eux. Les noyaux dont l’énergie de liaison par nucléon est la plus grande sont les plus stables. Plus un noyau est stable, plus son énergie de liaison par nucléon est importante.

Afin de visualiser plus simplement la stabilité des noyaux qu’il existe la courbe d’Aston qui nous présente -EA=f(A)

                        III. La fusion à l’échelle de notre planète 

a) Le projet ITER

L’objectif du projet est de démontrer la possibilité technologique et scientifique de la production d’énergie par la fusion nucléaire. Le projet ITER (Réacteur Expérimental Thermonucléaire International) vise à démontrer la faisabilité scientifique et technique de l’énergie de fusion.

L’accord international pour la construction et l’exploitation d’ITER regroupe les participants suivants :L’Union Européenne, la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l’Inde, le Japon, la Russie pour un coût total estimé à 10 milliards d’euros. Cela en fait l’un des programmes majeurs de recherche scientifique. ITER est développé sur deux sites concurrents, l’un au Japon et le deuxième à Cadarache dans le Sud de la France.

Les deux principaux objectifs scientifiques d’ITER sont :

Générer une puissance de 500 mégawatts en n’en consommant que 50

Maintenir les réactions de fusion dans le plasma pendant au moins un quart d’heure

La réaction de fusion se déroule dans un réacteur appelé Tokamak. On injecte un mélange de deutérium et de tritium qui est ensuite porté à une température suffisante pour que les électrons se séparent des noyaux. Les électrons vont entretenir le champ magnétique qui va circonscrire la zone dans laquelle les atomes passent à l’état de plasma chauffé à 150 millions de degrés Celsius. Ce faisant, le réacteur produit des atomes d’hélium et de l’énergie. Les neutrons sont absorbés par les parois du Tokamak transférant leur énergie à ces dernières sous forme de chaleur. Les différentes parois et chambre à vide sont bien évidemment refroidies par un système d’extraction. La chaleur est ensuite utilisée pour produire de la vapeur et alimenter un ensemble classique turbine et alternateur producteur d’électricité.

L’utilisation d’ITER présente de nombreux avantages :

La quantité d’énergie produite par la réaction de fusion est environ 4 millions de fois supérieure à celle que génèrent des réactions chimiques telles que la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel.

Dans la mesure où les conditions très spécifiques de la réaction de fusion sont difficiles à obtenir et à maintenir, toute perturbation entraînera un refroidissement quasi instantané du plasma et un arrêt de la réaction, de la même façon qu’un brûleur à gaz s’éteint lorsqu’on ferme le robinet d’alimentation. Le processus de fusion ne présente donc aucun risque en soi et il n’existe aucun danger d’emballement de la réaction ou d’explosion.

La réaction de fusion produit de l’hélium, un gaz inoffensif, et des neutrons.

Dans l’installation ITER, ces matériaux seront confinés selon le principe des poupées russes: les matériaux les plus radioactifs seront placés au centre et entourés de plusieurs couches de protection.

Pour éviter toute exposition du personnel à la radioactivité, la maintenance et la remise en état des éléments radioactifs du Tokamak seront effectuées par des machines et des équipements télé-manipulés.

Le Tokamak sera entièrement entouré d’un mur en béton de deux mètres d’épaisseur, ultime barrière de protection appelée «enceinte de protection biologique»

Tous les déchets seront traités, conditionnés et entreposés sur le site. La demi-vie de la plupart des isotopes radioactifs présents dans ces déchets est inférieure à dix ans et la réaction de fusion ne produira pas de déchets à vie longue: en un siècle, la radioactivité de ces matériaux aura suffisamment diminué pour permettre leur recyclage dans les futures centrales de fusion. Ce délai de cent ans pourrait encore diminuer avec les machines du futur grâce au développement de matériaux à «faible activation», un domaine qui est au cœur des travaux de recherche et de développement dans le domaine de la fusion.

b) Présentation rapide du laser Mégajoule

Le Laser Mégajoule (LMJ) est un des outils les plus importants du programme Simulation. L’objectif du LMJ est de recréer, en laboratoire, des conditions thermodynamiques semblables à celles rencontrées lors du fonctionnement d’une arme. Il permettra de confronter les théoriciens et les concepteurs d’armes à la fusion en vraie grandeur.

Le LMJ permettra de :

Valider les modèles fondamentaux et de vérifier qu’ils prennent bien en compte la totalité des phénomènes mis en jeu.

Mettre en œuvre des expériences couplant les différents processus physiques. Les expériences les plus emblématiques concerneront la combustion d’un mélange de deutérium et de tritium.

Pour le laser Mégajoule on utilise la Fusion par confinement inertiel (FCI) qui va produire un plasma très dense mais de très courte durée. Pour produire des réactions de fusion à partir d’un mélange DT contenu dans un micro ballon, il faut, en un temps très bref, comprimer ce mélange jusqu’à une densité de quelques centaines de grammes par centimètre cube, et le chauffer à une température de 10 millions de degrés.

Conclusion

S’il est vrai que l’énergie la plus utilisée d’aujourd’hui est bel et bien la fission nucléaire, elle demeure cependant une véritable attaque pour notre environnement. C’est pourquoi les nations, doivent ensemble, s’unir pour favoriser la recherche et l’avancée technologique qui permettrait de produire une énergie nouvelle, moderne et essentielle. Il est urgent de mettre en œuvre tous les moyens disponibles pour résoudre à la fois le problème de l’épuisement des ressources énergétiques et celui du réchauffement climatique. Nous sommes les travailleurs de demain, il est de notre essor de réaliser que certaines filières nécessitent une attention particulière.

Questions au groupe :

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Une Réponse to “Projet final fusion D-T”

  1. hadrienleclech 25 avril 2012 à 17 h 23 min #

    Bonsoir!

    Voilà les question du groupe de la présidente :

    -Quelle serait la quantité d’énergie produite par un réacteur? Quelle est la quantité d’énergie produite par la fusion d’un noyau de deutérium et un noyau de tritium?

    -L’extraction du lithium, et sa transformation en Tritium est-elle si facile? Consomme-t-elle beaucoup d’énergie? Coûte-t-elle chère?

    Voilà, ce sera à priori tous! Merci pour cette lecture!

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