Veille technologique

pour les professionnels de l’industrie
S’abonner

S’inscrire à l’hebdo de la techno :

Rechercher sur Industrie & Technologies

Facebook Twitter Google + Linkedin Email
×

partager sur les réseaux sociaux

Fusion nucléaire : en attendant ITER, voyage au cœur du tokamak West

| | | | |

Par publié le à 11h28

Fusion nucléaire : en attendant ITER, voyage au cœur du tokamak West

A l'intérieur de West (crédit photos : CRoux CEA).

Une nouvelle étape importante du projet ITER est prévue pour ce printemps 2017. Juste à côté du démonstrateur de fusion nucléaire en construction, un tokamak plus ancien - Tore Supra, rebaptisé WEST - va tester un élément clé d'ITER : le divertor, chargé d'évacuer la chaleur.

Le chemin de la théorie vers la pratique est long pour la fusion nucléaire. Il a commencé dans les années 1960 et a abouti à plusieurs concepts différents, dont aucun n'a encore fait la preuve de sa faisabilité technico-économique. Le projet aujourd’hui le plus important est celui d’ITER (en latin : chemin), qui réunit sept partenaires, dont l’Union européenne. En leur fournissant suffisamment d’énergie, on peut faire fusionner deux isotopes de l’hydrogène, le tritium et le deutérium, opération qui conduit à la création d’un atome d’hélium et d’un neutron fortement énergétique, dont on peut récupérer l'énergie pour produire de l'électricité. « L’objectif d’ITER, c’est un facteur d’amplification de 10 entre l’énergie ainsi récupérée et l’énergie fournie au départ. C’est la synthèse de 50 ans de recherche mondiale et le plus grand projet international en énergie, explique Alain Becoulet, directeur de l’Insititut de recherche sur la fusion par confinement magnétique (IRFM) au CEA.

West : tester le divertor, élément clé du futur ITER

Sur le papier, le concept est élégant. Le combustible est abondant, la production ne produit ni déchets radioactifs à longue durée de vie ni gaz à effet de serre et la réaction de fusion ne présente pas de danger : en cas de panne, elle s’arrête d’elle-même en bout de quelques secondes. En pratique, faire fusionner le deutérium et le tritium nécessite des créer un plasma – un état particulier de la matière où noyaux et électrons sont séparés et circulent librement – de plusieurs millions de degrés ! Seule solution pour contenir ce plasma longtemps au même endroit : l’isoler dans une chambre vide – un tokamak – grâce à un puissant champ magnétique.

C’est à l’IRFM à Cadarache, juste à côté du chantier ITER, qu’une nouvelle série d’expériences prévue au printemps mettra en jeu un tokamak français construit en 1988 : Tore Supra. Y sera testé un composant clé susceptible d’être utilisé dans ITER : le divertor. L’intérieur du tokamak, renommé West (Tungtène (W) Environment Steady-state Tokamak) pour l’occasion, a été entièrement remodelé pour accueillir le divertor. 25 millions d’euros ont été investis dans cette expérience depuis 2013, dans un budget global pour ITER de 20 milliards.

Le tokamak West : difficile d'y voir clair.

 Une chambre entièrement recouverte de Tungstène

Lorsque nous rentrons dans le hall qui abrite West, c’est une machine aux dimensions impressionnantes qui nous accueille - 12 mètres de largeur, 6 mètres de haut – et dont il est difficile de comprendre l’architecture tant est important le nombre de tuyaux, bonbonnes, câbles, piliers… qui entourent la structure. Le plus important se cache pourtant à l’intérieur : un anneau creux – ou « Tore » – de 2,5 mètres de grand rayon et d’environ 1,50 m de hauteur pour la chambre à vide qui accueille le plasma. Avant qu’elle ne soit refermée pour que débute les expériences, nous pouvons encore voir l’intérieur, tapissé de métal, de tungstène, pour être plus précis. Le tungstène n’a pas été choisi que pour sa forte densité et sa résistance mais aussi pour sa neutralité chimique face au tritium, l’un des « carburants » de la fusion, qu’il s’agit de ne pas retenir sur les parois de la chambre.

La chambre à vide a été entièrement recouverte de tungstène

Mission du divertor : évacuer l’hélium et la chaleur, qui peut atteindre 100 000 degrés

Au niveau du plancher, nous voyons le fameux divertor, lui aussi en tungstène. En raison de la dynamique que donne le champ magnétique au plasma, cette pièce reçoit l’essentiel des flux de chaleur et de particules provenant du plasma central. Sa mission principale ? Evacuer l’hélium et une partie de la chaleur générée par le système, qui peut atteindre 100 000 degrés, et les flux de chaleur 20MW/m², soit dix fois plus que ce que subit le bouclier d’une navette spatiale à son entrée dans l’atmosphère ! La surface du divertor elle-même peut monter à 2000°C ! Afin d’évacuer ce tel flux de chaleur sans que le matériau ne fonde ou ne se vaporise, de l’eau sous pression circule à grande vitesse à quelques millimètres de la surface de cette paroi à une température de 100°C. Un très fort gradient de température qui produit dilatation et contraintes mécaniques sur le matériau. Le divertor doit ensuite encore résister au bombardement des particules énergétiques qui malgré le confinement magnétique s’échappent du plasma.

Le divertor en tungstène, dont la suface atteint 2000°C sera refroidi par des tuyaux ou de l'eau circulant en tourbillonnant à 100°C et à 1000 m3/h.

Pendant l’expérience, près de 400 capteurs enregistrent ce qui se passe dans la chambre

Tester la conception de ce divertor est précisément l’objet des expériences qui seront effectuées sur West, dont les plus longues iront jusqu’à entretenir un plasma pendant 1000 secondes. Chaque expérience fera d’abord l’objet d’un vide très poussé, jusqu’à 10-6 pascal (sachant que la pression atmosphérique est à 100 000 pascals). Puis la matière, dont l’hydrogène, est injectée à raison de quelques milli-pascals dans l’anneau. Le gaz est soumis grâce à la bobine principale du tokamak à un champ électrique qui vient accélérer les électrons présents dans le gaz. Le courant peut monter à un million d’ampères ! Le gaz chauffe et s’ionise : le plasma est créé. Il sera entretenu par d’autres injections de gaz et de particules énergétiques ainsi que par un chauffage par ondes, pour arriver à un profil de densité très précis. Un champ magnétique puissant permet de le contenir à distance des parois, et de diriger le flux de chaleur vers le divertor.

Si quelques réactions de fusion pourront avoir lieu, nulle ambition, encore, d’entretenir une réaction de fusion. Le plasma ne sera pas assez énergétique en son centre pour cela mais suffisamment sur ses extrémités pour simuler avec pertinence le fonctionnement du divertor. Tout autour de l’anneau, près de 400 capteurs enregistrent les données liées à la température, la densité, les turbulences du plasma... Les expériences seront aussi l’occasion de mieux comprendre ce plasma, extrêmement instable et turbulent pour nourrir les algorithmes de description du plasma et affiner les paramètres de pilotage du tokamak et du confinement magnétique.

La réalité virtuelle au secours de l'assemblage


La réalité virtuelle a été utilisée pour la conception de l'intérieur de la chambre à vide. Dotée d'un casque HTC Vive, un opérateur est immergé dans la chambre à vide et peut déterminer rapidement quelles seront les meilleures options pour monter tel ou tel équipement, ou encore faire rentrer un tuyau de trois mètres. Pendant ce temps, le reste de l'équipe voit l'opération sur l'écran. Les éléments et les règles de la simulation sont développés sur mesure, en fonction des besoins. Réduction du nombre des réunions et de maquettes et gain de temps sont à la clé.

Abonnez-vous et accédez à l’intégralité de la veille technologique

Commentaires

Une réaction

Prof. M. Asghar
Le 15/02/2017 à 12h02
On voit la complexité du système en jeu pour s'assurer son fonctionnement comme prévu. En plus, cela montre les difficultés sur la voie de la fusion nucléaire.

Réagissez à cet article

* Informations obligatoires

erreur

erreur

erreur