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Centrale nucléaire Isar, Allemagne

Piscine de combustible nucléaire usé

Turbine d'une centrale nucléaire

La fusion nucléaire

La fusion nucléaire est une réaction nucléaire dans laquelle deux noyaux des atomes légeres, en géneral d'hydrogen et ses isotopes (le deutérium et le tritium), se combinent pour former un noyau plus lourd. En général, cette liaison est accompagnée par l'émission de quelques particules (dans le cas du noyaux de deutérium s'émis un neutron ). Cette réaction de fusion nucléaire libère ou absorbe beaucoup d'énergie sous forme de rayons gamma et de l'énergie cinétique des particules émises. Cette grande quantité d'énergie permet à la matèrie d'entrer dans un état de plasma.

Deux noyaux d'hydrogène fusionnent pour obtenir du hélium et de l'énergíe.Les réactions de fusion nucléaire peuvent émettre ou absorber de l'énergie. Si les noyaux qui vont se fusionner ont une masse inférieure au fer se libère de l'énergie. Inversement, si les noyaux atomiques qui vont se fusioner sont plus lourds que le fer la réaction nucleaire absorve de l'énergie.

Ne confondre pas la fusion nucléaire avec la fusion du nouyeau d'un réacteur, qui se réfère à la fusion du cœur du réacteur d'une centrale nucléaire en raison de la surchauffe causée par un mauvais refroidissement. Lors de l'accident nucléaire de Fukushima, ce terme a été utilisé fréquemment.

La fusion nucléaire dans la nature

Le Soleil est un exemple d'énergie nucléaire de fusion nucléaire qui nous vient à la Terre sous forme de radiation électromagnétique.Les étoiles, y compris le soleil, connaît constamment des réactions de fusion nucléaire. La lumière et la chaleur que nous ressentons du Soleil est le résultat de ces réactions de fusion nucléaire: les noyaux d'hydrogène entrent en collision et fusionnent résultant en un noyau d'hélium plus lourds libérant une énorme quantité d'énergie.L'énergie libérée atteint la Terre sous la forme d'un rayonnement électromagnétique.

Les forces de la gravité dans l'univers génèrent des conditions parfaites pour la fusion nucléaire.

Aux réactions de fusion nucléaire sont aussi appelés des réactions thermonucléaires en raison des températures élevées qu'ils éprouvent. Dans l'intérieur du Soleil, la température est de près de 15 millions de degrés Celsius.

Les exigences techniques pour la fusion nucléaire

Pour réaliser des réactions de fusion nucléaire, il faut répondre aux exigences suivantes :

  • Obtener une température très élevée pour séparer l'électron du noyau et qu'il s'approche d'un autre battant des forces de répulsion électrostatiques. La masse gazeuse composée pour les électrons libres et les atomes fortement ionisé est appelé plasma.
  • C'est nécessaire le confinement pour maintenir le plasma à une température élevée pendant un temps minimum.
  • Avoire une densité du plasma suffisante parce que les noyaux soient proches les uns des autres et puissent générer des réactions de fusion nucléaire.

Le confinement pour la fusion nucléaire

Les confinements classiques qui sont utilisés dans les réacteurs de fission nucléaire ne sont pas possibles en raison des températures élevées du plasma qu'ils doivent supporter. Pour cette raison, on a développé deux méthodes importantes de confinement:

  • La fusion nucléaire par confinement inertiel (ICF): consiste à créer une milieu tellement dense que les particules ne soient presque aucune chance d'échapper sans en toucher une autre. Une petite sphère composée de deutérium et de tritium est frappé par un rayon laser, ce qui provoque leur implosion. Ainsi, ce faut des centaines de fois plus dense et explosive sous l'effet de la réaction de fusion nucléaire.
  • La fusion nucléaire pour confinement magnétique (MCF): Les particules de plasma chargées électriquement sont piégés dans un espace confiné par l'action d'un espace de champ magnétique. Le dispositif plus développée a une forme toroïdale et est appelé Tokamak.

Les réactions de fusion nucléaire

Les éléments atomiques qui s'utilisent normalement dans les réactions de fusion nucléaire sont des atomes d'hydrogène et de ses isotopes : le deutérium (D) et le tritium (T). Les principales réactions de fusion comprennent:

D + T -> 4He + n + 17.6 MeV
Avec la fusion d'un noyau de deutérium avec un noyau de tritium, on obtient un noyau d'hélium constitué de deux neutrons et deux protons, en train de libérer une neutron et 17,6 MeV d'énergie. 
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Avec la fusion de deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau d'hélium constitué de deux protons et un neutron, libérant un neutron et 3,2 MeV d'énergie.

D + D -> T + p + 4,03 MeV 
Avec la fusion de deux noyaux de deutérium, on obtient un noyau de tritium, un proton et 4.03 MeV d'énergie.

Pour ces réactions ont lieu il faut de l'énergie cinétique nécessaire aux noyaux pour approcher les noyeaux qui se vont fusioner. permettant ainsi de surmonter les forces de répulsion électrostatique. Pour ce faire, il faut chauffer le gaz à des températures très élevées, comme il est censé soit lieu dans le cœur des étoiles.

La condition d'un réacteur de fusion nucléaire est de confiner le plasma avec la température et densité suffisamment élevée et pendant le temps nécessaire, pour permettre aux occurrence des réactions de fusion nucléaire suffisantes, empêchant les particules de s'échapper, pour un gain net d'énergie. Ce gain d'énergie dépend de l'énergie nécessaire pour chauffer et confiner le plasma, que c'est inférieure à l'énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire. En principe, chaque milligramme de deutérium-tritium peut être obtenu à 335 MJ.

Le combustible nucléaire utilisé pour les réactions de fusion nucléaire

--Pour les réactions de fusion nucléaire nécessitent des noyaux légers. Essentiellement, le deutérium et le tritium, qui sont utilisés deux isotopes de l'hydrogène.

Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène consistant en un proton et neutron . Leur abondance dans l'eau est un atome pour 6500 atomes d'hydrogène. Cela signifie que dans l'eau de mer, il ya une concentration de 34 grammes dans chaque mètre cube d'eau. Le contenu énergétique de deutérium est si grande que l'énergie de deutérium peut obtenir un litre d'eau de mer est l'équivalent de l'énergie que vous pouvez obtenir 250 litres d'huile.

Par conséquent, étant donné que les trois quarts de la planète sont recouverts d'eau, la fusion nucléaire est considérée comme la façon dont une source d'énergie inépuisable.

L'autre élément utilisé dans la fusion nucléaire, le tritium est l' isotope stable ou radioactif del'atome d'hydrogène. Il est composé d'un proton et deux neutrons par émission bêta se désintègre relativement rapidement. Bien que le tritium est rare dans la nature, peuvent être générés par des réactions de capture de neutrons avec des isotopes de lithium. Le lithium est un matériau abondant dans la croûte de la terre et en eau de mer.

L'évolution historique et les projets futurs sur la fusion nucléaire

Les origines de la fusion nucléaire sont situés autour de 1929, lorsque Houtemans Atkinson et évoqué la possibilité d'obtenir de l'énergie à partir de réactions de fusion. Cependant, les concepts les plus importants de la fusion nucléaire et son application réelle, développés depuis 1942 avec les travaux de H. Bethe, E. Fermi, E. R. Oppenheimer et Teller, entre autres. Grâce au projet mené Sherwood premières avancées technologiques qui ont contribué à développer le concept de confinement magnétique, ce qui donne les premières créations: z-pinch, et des miroirs magnétiques stellarator.

En 1961, J. Nuckolls (Etats-Unis) et N. Basov (URSS) ont développé une technique qui pourrait être obtenu par des réactions de fusion nucléaire à haute compression provoquées par le transfert d'énergie. Programmes secrets sont bien développés aux États-Unis et la Russie. Plus tard, la France rejoint cette évolution, aussi secret. D'autres pays comme l'Allemagne, le Japon, l'Italie et les Etats-Unis (Rochester) ont développé des programmes ouverts.

En 1965, Artsimovich a présenté les résultats de leurs recherches dans la "2ème Conférence sur la fusion contrôlée et Plasma» sur TOKAMAK (toroïdal Kamera Magnetik) le concept.

Vue intérieure du JET Tokamak.Sur le concept Tokamak, la nécessité de confiner le champ magnétique du plasma est le résultat de la combinaison d'un champ toroïdal, un champ poloïdal créé par deux bobines toroïdales, et un champ vertical (créé par un transformateur). Le plasma agit en tant que secondaire d'un transformateur à travers lequel le courant est induit chaleurs. En faisant circuler l'intensité de courant variable primaire du transformateur.

En 1968, le prix Nobel de N. Basov, Prix signalé obtenir la température d'inflammation et la production de neutrons dans les réactions de fusion nucléaire par laser. Par la suite, il pourrait avoir beaucoup de matériel dans la construction et l'exploitation dans le cadre du concept de tokamak comme: ISF (France), T-4 et T-11 (URSS), et Alcator Ormak (Etats-Unis). Semblable à la T-10 (URSS), PLT (USA), ETA (GB), ASEDX (RFA) et Frascati (EURATOM-Italie) a commencé à être construit.

Dans les années 70, il a commencé la première série de publications sur la FCI (fusion nucléaire par confinement inertiel) se produire. Aux États-Unis, les chercheurs principaux étaient Brueckner, Nuckolls, et Clark Kidder. En Russie, Basov et son équipe ont eu l'expérience la plus avancée, pour atteindre près de 3 millions de domaines neutrons d'implosion de CD2.

Basé sur ce concept et il ya eu une multitude d'installations qui ont permis à la recherche de pointe au laser sur la fusion nucléaire. Ils nous pouvons souligner: NOVA (40 kJ, euuu), OMEGA (30 kJ), Gekko-XII (10 kJ, Japon), Phébus (3 kJ, France), VOLCANO (Royaume-Uni), ISKRA-5 (Russie).

De ces installations laser ont développé deux projets majeurs pour montrer des bénéfices élevés: National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis et Laser mégajoule (LMJ) en France.

Mais le laser n'est pas le seul dispositif capable de produire implosions, a également observé que les électrons et les rayons de lumière et les ions lourds sont des candidats sérieux pour le confinement inertiel fusion nucléaire. Et les projets suivants sont nés avec des ions légers: Angara et PROTO (Russie), PBFA PBFC-I et-II (Etats-Unis).

En ce qui concerne les ions lourds, en l'absence d'expériences ont été incapables d'obtenir des résultats précis, même si elles ont fait certaines prédictions par des simulations théoriques tels que ceux dans le projet HIDIF (Heavy Ion conception de l'installation d'allumage), parrainé par plusieurs laboratoires et instituts européens et le Lawrence Berkeley Laboratory américain.

Dans le type 90s, installations TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (USA) et JT-60 (Japon), a donné un certain pouvoir. Le premier était le JET, avec un mélange de D (90%) et T (10%) atteint en 1991, d'une puissance de 1,7 MW. Par la suite, en 1993, avec un mélange de 50% TFTR DT est venu à 6 MW, atteignant des températures de 30 keV. Le chauffage de 29 MW a été dépensé. À l'heure actuelle, la TFTR est fermé. À ce jour, ils sont venus à produire jusqu'à 12 MW dans les réactions de fusion nucléaire contrôlée pour plus d'une seconde (JET 1997) et il est convaincu que les avancées technologiques actuelles possibles atteindre la gamme commerciale de centaines de MW donc maintenue.

La recherche expérimentale en FCM (magnétique nucléaire fusion par confinement) en Espagne a été concentrée dans le CIEMAT (Centre de l'Energie, de l'Environnement et de la technologie), datant de 1983, qui a opéré la première machine de la fusion nucléaire, tokamak TJ-je.

Dès ce moment, la recherche a progressé de façon régulière, et ainsi, en 1994, il a lancé le premier appareil de la fusion nucléaire construit entièrement en Espagne: le stellerator TJ-je mettre à niveau, qui a été cédée en 1999 à l'Université de Kiel en entrer le fonctionnement TJ-II.

Le TJ-II a été un saut scientifique majeur des expériences précédentes considéré comme l'un du monde trois stellerators plus avancées avec l'allemand Wendelstein 7-AS l'Institut Max Planck de Munich et l'Université japonaise de Nagoya LHD.

Le projet de fusion nucléaire par confinement magnétique  : le projet ITER

Le projet ITER magnétique nucléaire le plus avancé fusion par confinement est le prototype (International Thermonuclear Experimental Reactor) sur la base du concept de tokamak, et qui devrait atteindre allumage. Compte tenu des bons résultats obtenus dans le JET, en 1990 il a été décidé de poursuivre le programme avec un centre de fusion plus élevé dans lequel outre le réacteur, ils pourraient prouver leurs auxiliaires sans même produire de l'électricité. Dans ce projet, l'Union européenne, le Canada, Etats-Unis, le Japon et la Russie participent.

Image futuriste du projet de recherche de la fusion nucléaire ITER.Image Futuristic du projet de recherche fusion nucléaire ITER

L'objectif est de déterminer la faisabilité technique et économique de la fusion magnétique nucléaire pour produire de l'électricité , comme condition préalable à la construction d'une phase de l'usine de démonstration commerciale.

ITER est un projet de technologie dont la construction est estimé à besoin de 10 ans et au moins 20 IP. Parmi les technologies utilisées pour sa construction et l'exploitation et la maintenance inclure la robotique, la supraconductivité, micro-ondes, des accélérateurs et des systèmes de contrôle.

Dans la machine ITER ne se produira pas pouvoir , des solutions aux problèmes qui doivent être résolus pour rendre les futurs réacteurs de fusion viables prouver. Ce projet de recherche ambitieux premiers résultats de 2050.

Investissements pour la construction est estimé à environ 5.000 millions d'euros. Les coûts de fonctionnement atteindra 5,300 millions d'euros et le déclassement s'élève à 430 millions d'euros. Le pays où il est installé (France) devrait supporter les coûts de préparation et de construction du chantier.

L'emplacement de d'ITER

Initialement, les trois sites qui ont été contestés projet: Europe (France et Espagne), le Canada et le Japon.

Le gouvernement du Canada a manifesté son intérêt à accueillir le projet à Darlington près de Toronto, le Japon a présenté sa candidature dans Rokkaishomura, la France a proposé son centre de Cadarache nucléaire et son emplacement dans l'Espagne a proposé Vandellós I, après l'étude de faisabilité positive coordonné par CIEMAT et fait par différents instituts et les industries, la recherche dont IBERTEF (consortium EmpresariosAgrupados et SENER).

Après un processus complexe de l'évaluation des technologies à la fin de 2003, la Commission européenne a décidé de présenter la candidature de française de l'UE contre l'espagnol Vandellós Cadarache.

Enfin, la soumission gagnante était le sud de la France où il se construit aujourd'hui.

Emplacement de ITER - la fusion nucléaire.

L'emplacement de ITER - la fusion nucléaire

 

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Références

Dernier examen: 7 mai 2014