17/02/2022 Nouveau succès pour la fusion nucléaire

Communication de l’Eurofusion consortium :

L’objectif de la campagne était de caractériser, avec la nouvelle paroi de JET semblable à celle d’ITER et à l’aide de nouveaux diagnostics, le comportement du plasma de fusion dans des expériences deutérium-tritium et avec des conditions attendues dans ITER pour préparer le pilotage de ce futur démonstrateur de fusion. La mission a été remplie avec un bon accord entre les prédictions de la puissance de fusion et les observations pour les durées maximales accessibles au JET.

Pour atteindre ce nouveau record, le tokamak européen a subi une transformation profonde, à laquelle l’Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique du CEA (CEA-IRFM) a activement participé. En 2011, le carbone composant les parois intérieures du tokamak a été remplacé par du béryllium et du tungstène, qui absorbent beaucoup moins le tritium que le carbone. JET présente ainsi une configuration plus proche de celle d’ITER mais un volume dix fois plus petit, ce qui en fait un banc d’essai essentiel pour le futur démonstrateur international, dont les premiers plasmas sont prévus avant 2030 et en 2035 pour le mélange deutérium-tritium.

JET est cependant limité à des durées de quelques secondes car ses parois intérieures ne sont pas refroidies activement et ses bobines de champ magnétique ne sont pas supraconductrices.

C’est pourquoi le tokamak supraconducteur WEST (W Environment in Steady-State Tokamak) du CEA-IRFM, installé sur le centre CEA de Cadarache (Bouches-du-Rhône), constitue un banc d’essai complémentaire de JET pour préparer l’exploitation d’ITER. En effet, contrairement à JET, ses bobines sont supraconductrices et ses parois en tungstène sont activement refroidies, ce qui va lui permettre à partir de 2022 de développer les techniques de contrôle pour des durées de production de plasma de deutérium (sans tritium) de plusieurs minutes, comme ce sera le cas pour ITER.

Note

Les scientifiques du consortium EUROfusion, auquel participe notamment le CEA français Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies), ont enregistré le 21 décembre 2021 la production de 59 mégajoules d’énergie de fusion nucléaire pendant plusieurs secondes dans le Joint European Torus (JET), le seul tokamak (sorte de réacteur à fusion nucléaire) opérationnel au monde utilisant du deutérium et du tritium, installé au Royaume-Uni.

Les réacteurs nucléaires que nous connaissons actuellement fonctionnent sur le principe de la fission, qui consiste à casser des noyaux atomiques d’uranium et de plutonium en projetant dessus un neutron.

​Avec 59 mégajoules d’énergie de fusion produite pendant 5 secondes, le tokamak JET a surpassé en 2021 son précédent record établi en 1997 (21,7 mégajoules). Cette campagne expérimentale a été menée par les scientifiques d’EUROfusion, parmi lesquels une trentaine de chercheurs, d’ingénieurs et de techniciens du CEA.

L’objectif de la campagne était de caractériser, avec la nouvelle paroi de JET semblable à celle d’ITER et à l’aide de nouveaux diagnostics, le comportement du plasma de fusion dans des expériences deutérium-tritium et avec des conditions attendues dans ITER pour préparer le pilotage de ce futur démonstrateur de fusion. La mission a été remplie avec un bon accord entre les prédictions de la puissance de fusion et les observations pour les durées maximales accessibles au JET.

Pour atteindre ce nouveau record, le tokamak européen a subi une transformation profonde, à laquelle l’Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique du CEA (CEA-IRFM) a activement participé. En 2011, le carbone composant les parois intérieures du tokamak a été remplacé par du béryllium et du tungstène, qui absorbent beaucoup moins le tritium que le carbone. JET présente ainsi une configuration plus proche de celle d’ITER mais un volume dix fois plus petit, ce qui en fait un banc d’essai essentiel pour le futur démonstrateur international, dont les premiers plasmas sont prévus avant 2030 et en 2035 pour le mélange deutérium-tritium.

JET est cependant limité à des durées de quelques secondes car ses parois intérieures ne sont pas refroidies activement et ses bobines de champ magnétique ne sont pas supraconductrices.

C’est pourquoi le tokamak supraconducteur WEST (W Environment in Steady-State Tokamak) du CEA-IRFM, installé sur le centre CEA de Cadarache (Bouches-du-Rhône), constitue un banc d’essai complémentaire de JET pour préparer l’exploitation d’ITER. En effet, contrairement à JET, ses bobines sont supraconductrices et ses parois en tungstène sont activement refroidies, ce qui va lui permettre à partir de 2022 de développer les techniques de contrôle pour des durées de production de plasma de deutérium (sans tritium) de plusieurs minutes, comme ce sera le cas pour ITER. La fusion nucléaire, au contraire, vise à réunir deux noyaux de deutérium et de tritium (des variants de l’hydrogène) sous l’effet d’une très haute pression et d’une chaleur extrème (150 millions de degrés Celsius, soit 10 fois celle du soleil). Des conditions dans lesquelles la matière est à l’état de plasma, celle que l’on retrouve au cœur des étoiles.

Cette fusion entraîne la libération d’un neutron qui, en percutant les parois d’un tokamak, dégage de la chaleur. Celle-ci est ensuite récupérée pour alimenter une turbine, à l’instar des installations électriques classiques.

Un tokamak est un dispositif de confinement magnétique expérimental explorant la physique des plasmas et les possibilités de produire de l’énergie par fusion nucléaire.

Dans cette machine géante en forme de « donut » qu’est le tomakak, les scientifiques situés près de la ville anglaise d’Oxford ont battu le précédent record établi en 1997, selon l’Autorité britannique de l’énergie atomique. Cinq secondes étant la limite à laquelle la machine peut maintenir la puissance avant que ses aimants ne surchauffent. Mais il s’agit de l’énergie nécessaire pour assurer les besoins, pendant cinq secondes, de 35 000 foyers, a expliqué Joe Milnes, le directeur des opérations du JET. 

On comprend mieux pourquoi, une fois cette technologie de fusion nucléaire maîtrisée, le potentiel de puissance pourrait largement assurer les besoins en électricité du monde entier.

Le programme de recherche baptisé ITER ambitionne en tout cas « d’offrir à l’humanité une source d’énergie propre, sans déchet nucléaire et virtuellement inépuisable ».

Et les résultats annoncés ce mercredi montrent la possibilité de créer de l’énergie de fusion pendant cinq secondes, le maximum possible pour que les aimants en cuivre du JET ne surchauffent pas. Une expérience qui représente l’aboutissement de près de 40 ans de travail. 

Et surtout des données encourageantes qui confortent un peu plus encore l’intérêt de la conception du réacteur à fusion ITER, encore plus avancé que le JET, en construction dans le sud de la France. Car le futur tokamak d’ITER mesurera 29 mètres de haut pour 28 mètres de diamètre et pèsera approximativement 23.000 tonnes. Il sera équipé d’aimants supraconducteurs qui permettront de générer de l’énergie de fusion pendant plus longtemps, possiblement plus de 300 secondes.

Pour en savoir plus

1) ITER

ITER est une organisation internationale dont le site de recherche et d’expérimentation est installé dans le nord des Bouches-du-Rhône. Environ 1.200 chercheurs et 2.500 personnes y travaillent. Elle est financée par sept membres, représentant 35 pays (l’Union Européenne, les USA, la Chine, l’Inde, la Russie, la Corée-du-Sud et le Japon), et comptant plus de la moitié de la population mondiale et 80 % du PIB.

2) Le plasma en physique

Le plasma est un état de la nature (au même titre que le liquide, le solide ou le gaz). C’est de la matière partiellement ou totalement ioniseé. L’ionisation est l’action qui consiste à ajouter ou enlever des charges à un atome électriquement neutre, qui devient ainsi un ion (chargé positivement ou négativement).

Les plasmas sont un milieu constitué d’un mélange de particules neutres, d’ions positifs(atomes ou molécules ayant perdu un ou plusieurs électrons) et d’électrons négatifs. Un plasma est électriquement neutre et ses particules interagissent les unes avec les autres.

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