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Les trois défis technologiques d'Iter

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Par publié le à 00h00 , mise à jour le 19/10/2014 à 08h44

Les trois défis technologiques d'Iter

Avec Iter, un pas important vers la production d'énergie par fusion nucléaire sera franchi. Mais pour cette machine, de nombreuses technologies restent à développer, dont trois sujets sont décisifs : les matériaux, les bobines supraconductrices et la robotique de maintenance.

France ou Japon ? Qui hébergera Iter ? La décision, qui devait être prise en décembre, est reportée à mi-février. L'enjeu est énorme, ne serait-ce que par les retombées industrielles de cet immense programme.

Cela dit, l'effervescence actuelle autour du projet ne doit pas faire oublier qu'il mobilise depuis près de vingt ans scientifiques et ingénieurs du monde entier. De fait cette formidable machine est dans le prolongement direct des précédentes, Jet et Tore Supra (voir encadré ci-contre). Son objectif : créer des plasmas de forte énergie pendant un temps long : une puissance thermonucléaire de 500 MW pendant 400 secondes avec un rapport Q supérieur à 10 entre la puissance thermonucléaire produite et celle injectée pour le chauffage (et des temps plus longs à Q = 5). Et, bien sûr, jeter les bases scientifiques et technologiques d'un possible futur réacteur.

Un territoire "inconnu"

La phase de conception d'Iter s'est achevée en 2001. Après huit à dix ans de construction, soit d'ici à 2015, la machine produira son premier plasma. Pendant vingt ans, elle explorera des scénarios dans lesquels plus de la moitié de la puissance viendra de l'intérieur même du plasma grâce aux réactions thermonucléaires de fusion des noyaux de deutérium et de tritium. On entrera alors en territoire "inconnu" pour les physiciens théoriciens (qui ont tout de même des idées sur ce qui les attend).

Iter sera une machine industrielle

Pour les ingénieurs concepteurs et les technologues, Iter représente un saut d'un facteur 3 à 5 sur les dimensions par rapport à ses précurseurs. Des maquettes de taille représentative, parfois à l'échelle 1, ont été testées avec succès. Il n'en reste pas moins que la construction de l'ensemble oblige à relever plusieurs défis technologiques.

Iter est encore une machine expérimentale et non un réacteur. L'énergie dégagée sera en effet évacuée sans utilisation et il n'y aura pas de production de tritium sauf en test. En revanche, ce sera déjà une machine industrielle dans la mesure où de nombreuses sociétés sont impliquées dans la fabrication de composants à l'unité ou en série et où l'on pense déjà à des diminutions de coût en optimisant la conception de pièces pour rendre l'industrialisation moins coûteuse.

Pour Philippe Magaud, qui coordonne les actions technologiques d'Iter au CEA-Cadarache (Bouches-du-Rhône), trois principaux défis sont à relever, par ordre d'importance : les composants face au plasma et leurs matériaux, les aimants supraconducteurs, la robotique de maintenance. Visite guidée sur ces trois sujets.

 

1. Matériaux et composants

 

Au centre du plasma d'Iter, la température atteindra cent millions de kelvins. À moins de 10 mètres de là, elle sera de 4,5 kelvins dans les bobines supraconductrices. Entre les deux, la paroi de la chambre à vide sera la première surface matérielle vue par le plasma. Cette paroi reçoit 20 MW/m2 en pointe à une température de surface de 1 200 à 1 500 °C sur les parties les plus exposées comme le Divertor (équipement destiné au piégeage et à l'extraction des particules qui sortent du plasma) et 1 à 5 MW/m2 ailleurs.

Il y a à la fois un défi dans la capacité à supporter de tels flux de chaleur et un défi dans la nature des matériaux utilisés. Outre la température, ils doivent en effet résister aux particules (érosion, tenue aux déplacements atomiques) et être peu activables sous l'effet des neutrons de haute énergie (non-production d'isotopes radioactifs à période longue).

Un seul matériau ne peut pas avoir toutes les propriétés requises. Les composants retenus sont donc des assemblages de matériaux ce qui implique le développement de méthodes d'assemblage (mécanique, brasage, soudage, etc.). D'autant plus qu'il faut refroidir ces éléments par circulation d'eau (problèmes de thermohydraulique, de joints, etc.).

De tels flux de chaleur à évacuer existent dans les klystrons et des solutions dérivées sont examinées pour Iter. Tore Supra a aussi testé des solutions. Iter reprendra le même genre de matériaux, en gros les mêmes techniques, mais pas avec la même forme ni avec les mêmes dimensions. Ce sont des tuiles de béryllium ou de composite carbone brasées sur du cuivre ou bien du tungstène (métal réfractaire) pour les parties les plus exposées comme celles du Divertor qui sont étudiées.

Le problème de l'érosion des matériaux par l'impact des particules est un champ de négociation entre les technologues et les physiciens : certains scénarios de plasma sont moins agressifs et il faut trouver un compromis entre la performance souhaitée du plasma et la vitesse d'abrasion des matériaux. Une érosion importante, c'est de la matière qui pollue le plasma donc dégrade ses performances en accroissant le rayonnement. Un plasma pollué à 5 à 10 % rayonne trop et s'éteint. Or, dans les 837 m3 du plasma d'Iter, il n'y aura que quelques grammes de matière, la quantité érodée possible est donc très faible.

Derrière cette première barrière, et pour parler de l'après Iter, un autre défi matériau existe. C'est celui de la couverture de protection qui aura un triple rôle : protection neutronique, production de tritium par réaction nucléaire des neutrons sur du lithium et récupération de l'énergie des neutrons issus de la fusion. Iter n'est pas conçu pour produire du tritium (le combustible), néanmoins son design permet de placer des couvertures tritigènes. Le défi, pour un réacteur, sera bien la durée de vie de tous ces composants, car il n'est pas question pour une machine industrielle de passer la moitié de son temps en maintenance.

 

Des tests de tenue aux neutrons

 

Enfin, la tenue aux neutrons de 14 MeV devra faire l'objet de tests dans une installation encore à construire dénommée IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). Elle est indispensable, car personne aujourd'hui n'a travaillé sur ce genre de problème. Des solutions sont déjà à l'étude : par exemple des aciers à très faible activation où les éléments comme le cobalt et le niobium sont remplacés par des éléments à désactivation rapide sans sacrifier aux performances métallurgiques. Quelques tonnes d'un nouvel acier Eurofer ont été coulées pour vérifier sur échantillons le comportement sous irradiation, la corrosion, la soudabilité... Il existe d'autres solutions comme les composites SiC-SiC, le vanadium, mais on entre là dans le grand futur.

 

2. Les bobines supraconductrices

 

Le confinement et le chauffage du plasma dans la chambre du réacteur requièrent des champs magnétiques très élevés générés par 18 bobines toroïdales (champ fixe qui sert au confinement), 6 poloïdales (champ variable qui donne la section elliptique et stabilise le plasma) et par un noyau central (champ variable pour la création du courant dans le plasma à la manière d'un primaire de transformateur).

Les bobines seront supraconductrices pour accéder à des plasmas de longue durée avec une consommation électrique raisonnable. Les courants mis en jeu sont de plusieurs dizaines de kiloampères dans des conducteurs de type câble en conduit.

En raison des champs très élevés d'Iter, le supraconducteur choisi est le niobium étain qui supporte 13 teslas. Par comparaison, Tore Supra utilise des conducteurs en niobium titane. Ils ne supportent pas des champs aussi élevés mais Tore Supra fonctionne à 1,8 kelvin, température à laquelle l'hélium est superfluide ce qui facilite le refroidissement. En service depuis 1988, il n'a jamais rencontré de problème à ce niveau.

La conception d'Iter est quelque peu différente. La machine fonctionnera à 4,5 kelvins avec une circulation forcée d'hélium liquide ou supercritique sous quelques bars. La conception des bobines adaptées à cette configuration se fait par étapes. Il faudra d'abord concevoir et qualifier le conducteur, ensuite la géométrie des enroulements, leur disposition puis faire des essais sur une maquette représentative pour explorer les performances magnétiques et électriques, la tenue mécanique des bobines qui sont soumises à des efforts énormes (sauf les poloïdales) et la thermohydraulique de la circulation de l'hélium. Des milliers de cycles de fonctionnement sont requis.

Autre problème à résoudre, celui des connexions de courant et de fluide de refroidissement (passage d'une partie supraconductrice à 4,5 kelvins à une partie conducteur "normal").

Européens, Russes et Japonais travaillent dans ce domaine. Les essais des bobines sont réalisés à Naka, au Japon, et à Karlsruhe (Allemagne). Deux bobines test ont déjà été réalisées dans lesquelles la taille des conducteurs est à échelle 1, ainsi que certaines dimensions des bobines.

 

Participation mondiale pour les bobines

 

La bobine modèle du solénoïde central conçu par le CEA est réalisée par les États-Unis et le Japon. Pesant 100 tonnes dont 21 tonnes pour les seuls supraconducteurs, elle a été testée en 2000. Supportant 46 kiloampères pendant 30 secondes à 13 teslas, elle préfigure l'une des six bobines du solénoïde central.

La bobine modèle du champ toroïdal, elle, a été construite en Europe par un consortium regroupant Alstom, Ansaldo (Italie) Accel et Noell (Allemagne) et des sous-traitants comme Europa Metalli et Mecachrome. Testée en 2001, elle a atteint 80 kiloampères et 7,8 teslas. Elle pèse 40 tonnes dont 4 tonnes de supraconducteur. Iter contiendra 18 bobines de 290 tonnes dont 19 tonnes de supraconducteur.

La bobine poloïdale modèle fait appel à un supraconducteur NbTi inséré dans une couverture épaisse en acier inox (Valinox) ; elle est en fabrication chez un industriel et sera testée en 2004 au Japon.

 

3. LA ROBOTIQUE

 

Les conditions de fonctionnement d'Iter vont solliciter fortement les matériaux, les user, entraînant le changement de composants internes. Pas question de faire intervenir des opérateurs humains une fois que la machine aura fonctionné avec du tritium et que les matériaux auront été activés par les neutrons issus de la réaction de fusion. Il est donc nécessaire de concevoir des robots spécialisés, certains en inspection, d'autres en maintenance avec manipulation de pièces dans l'enceinte ou bien intervention à l'intérieur de tuyauteries coudées avec des opérations de découpe et de soudage. Toutefois, au début du fonctionnement, Iter n'utilisera pas de tritium ni des énergies élevées, l'intervention humaine devrait rester possible pendant les sept premières années de fonctionnement.

Des solutions robotiques sont en phase de prototypage. Le Jet a contribué à des réflexions sur les techniques de télémanipulation et il existe une expérience sur les installations nucléaires actuelles.

Pour le Jet, la mise au point de la téléopération a nécessité environ 260 homme-ans. La fiabilité, basée

sur le concept MTBF, n'est pas opérationnelle car il s'agit de prototypes. Il est donc indispensable d'utiliser des installations spécifiques où sont réalisés des milliers de cycles. Comme il est noté dans l'un des rapports d'activités d'Iter, l'intervalle entre le premier prototype et une version finale améliorée capable d'opérer en conditions réelles est souvent sous-estimée au niveau des coûts en personnel. De plus, derrière ces robots d'intervention, il n'y a pas d'ingénieurs hautement qualifiés mais des opérateurs ; les interfaces homme-machine devront donc être particulièrement soignées pour ne pas laisser inutilisées des "capacités avancées" par faute de facilité d'emploi.

Dans ce milieu hostile, tous les composants des robots (électroniques mais aussi mécaniques, penser à la lubrification) devront résister aux agressions des radiations, à la température, au vide et, bien sûr, laisser l'endroit aussi propre qu'ils l'ont trouvé : la performance du plasma est étroitement liée au degré de pureté de l'atmosphère. Pas question de polluer l'intérieur de la chambre !

Une des difficultés majeures de la télémanipulation sera l'absence d'un retour d'images vidéo en raison du niveau de radiations dans certaines zones de la chambre du réacteur. Qu'à cela ne tienne, si l'image n'est pas là on la recréera : le système de supervision fera appel à la réalité virtuelle. Un calculateur recréera de manière virtuelle l'espace d'évolution du robot pour, d'une part, fournir une vision à l'opérateur et, d'autre part, aider aux mouvements précis de manipulation. D'où la nécessité de créer une interface de supervision spécifique incluant le contrôle du robot, son étalonnage, et l'enregistrement de l'environnement physique du robot.

 

Des robots d'inspection pour la maintenance

 

Le développement des outils de maintenance du Divertor et de l'enceinte est confié à l'association Euratom-CEA. Les tests sont réalisés à Brasimone (Italie) dans les locaux de l'ENEA sur la plate-forme test du Divertor. Le manipulateur Maestro, développé par le CEA en collaboration avec Cybernetix (société marseillaise) et l'Ifremer, est capable de déplacer 100 kg (son poids). Son développement connaît une suite d'améliorations successives : réduction du nombre de joints tournants (moins de frictions), modularité des différents axes, facilité de maintenance, etc. Un des problèmes à résoudre pour ce genre de robot est sa dynamique en service, particulièrement l'écart entre la position calculée en bout de bras et sa position réelle en fonction de la flexibilité du bras lors des efforts et des déplacements : les spécialistes ont devant eux de beaux problèmes mécaniques et de simulation en temps réel des déformations du bras.

Les robots d'inspection n'auront pas à supporter des charges importantes. C'est le cas du prototype IVP (in-vessel penetrator) qui entrera dans l'enceinte par l'une des six portes prévues pour inspecter la paroi et les cassettes du Divertor.

Ce prototype modulaire mesure 8 m de long et 150 mm de diamètre, peut porter 10 kg, doit résister aux conditions Iter et sera testé sur une machine de fusion actuelle. Mû par des moteurs électriques, il inclut des cartes électroniques embarquées ; la technologie HCmos, développée pour les militaires, semble répondre aux besoins. La lubrification prévue fait appel à des solutions à base de téflon pour résister aux radiations et ne pas polluer. Les essais de l'IVT seront réalisés à Naka, au Japon.

Bref, avec Iter, les technologues - et les scientifiques - ont du pain sur la planche. Relèveront-ils le formidable défi de la production d'énergie par fusion ? « Depuis l'avènement des tokamaks en 1970, les progrès ne se sont jamais démentis, que ce soit au niveau de la physique ou des technologies. Les bases sont aujourd'hui suffisamment solides pour qu'Iter valide la faisabilité de l'énergie de fusion. Les problèmes sont ardus mais je suis sûr que l'on y arrivera », affirme Philippe Magaud.

LES PRÉCURSEURS EUROPÉENS JET ET TORE SUPRA

L'Europe a développé le plus de compétences sur la fusion par confinement magnétique. La plupart des pays européens ont des expériences en cours. Les deux plus célèbres sont Le JET à Culham (Grande-Bretagne), démarré en 1983. Sa mission est l'étude des plasmas de puissance sur une dizaine de secondes avec un rapport "énergie produite/énergie consommée" frôlant 1. Il a produit 16 MW thermonucléaires. Un record mondial. Tore Supra à Cadarache (Bouches-du-Rhône) depuis 1988. Il vise des plasmas de longue durée, sans puissance thermonucléaire (1 kW seulement) mais avec évacuation en continu de l'énergie de chauffage. Début décembre 2003, une décharge a duré plus de 6,5 min (1,1 GJ) établissant un autre record mondial.

LE PROGRAMME

Iter est un programme mondial qui associe l'Union européenne, les États-Unis, le Canada, la Russie, la Chine, le Japon et la Corée du Sud. Sa construction demandera huit à dix ans. Il sera exploité pendant vingt ans. Sa construction coûtera près de 5 milliards d'euros, et autant pour son exploitation.

LA MISSION

D'ici à 2015, Iter doit Créer des plasmas de forte énergie pendant un temps long, soit une puissance thermonucléaire de 500 MW pendant 400 s. Offrir un rapport supérieur à 10 entre la puissance thermonucléaire produite et celle injectée pour le chauffage. Servir de base à la construction d'un réacteur industriel.

LA MAQUETTE DU FUTUR RÉACTEUR

Iter est un tokamak. Au coeur de cette machine pesant des dizaines de milliers de tonnes, à une pression de 10-7 Pa, quelques grammes de deutérium et tritium dispersés dans plus de 800 m3 seront portés à cent millions de degrés. Le plasma est maintenu en forme par les champs magnétiques toroïdaux et poloïdaux. Trois moyens de chauffage : le premier, de type résistif, est créé par les bobines supraconductrices du noyau central ; à partir de 10 millions de degrés il faut recourir à des micro-ondes (plusieurs centaines de GHz) et injecter à grande vitesse des atomes de deutérium qui abandonnent leur énergie cinétique dans le plasma. Il fait alors très chaud et la fusion démarre, produisant elle-même de la chaleur. Pour en savoir plus : www.iter.org

LES DÉFIS MATÉRIAUX

Pour satisfaire toutes les contraintes d'Iter, il faut développer des matériaux et leur assemblage. Ceux qui font face au plasma doivent en effet Résister à des flux de chaleur de 10 à 20 MW/m2 et des températures de surface atteignant 1 500°C. Ne pas trop s'éroder sous l'effet du flux de particules. Résister à des neutrons de 14 MeV. Ne pas dégager plus de radioactivité que des cendres de charbon, 100 ans après l'arrêt du réacteur.

LES DÉFIS MAGNÉTIQUES

Plusieurs centaines de tonnes de câbles supraconducteurs seront utilisées pour les 30 bobines des trois types d'aimants d'Iter. Pour ces aimants supraconducteurs, il faut concevoir Des câbles capables de supporter plusieurs dizaines de kiloampères à des champs élevées. Des bobines capables de fournir des champs magnétiques énormes : 13 T voire plus. Des bobines capables de supporter les fortes contraintes mécaniques engendrées par de tels champs.

LES DÉFIS ROBOTIQUES

Pas d'intervention humaine à l'intérieur d'Iter. Il faut donc des robots d'inspection et des robots de manipulation pour changer les pièces usées. Ces robots devront Résister à un environnement très sévère : chaleur, rayonnement, vide... Ne laisser aucune pollution après intervention. Travailler en aveugle (impossibilité de disposer d'images en raison des rayonnements) d'où l'utilisation de la réalité virtuelle. Offrir aux opérateurs des interfaces homme-machine particulièrement soignées.

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