ITER est un projet international de création d'un réacteur pilote d'une capacité de 500 MW, qui est officiellement passé de la phase de construction à la phase d'assemblage.
Vitaly Krasilnikov - notre conteur, travaille sur le projet depuis sept ans.
Vitaly est de Troitsk. Il est diplômé de la Trinity School n ° 3 (maintenant c'est un lycée), a étudié à l'Institut de physique et de technologie du MEPhI, à l'instar de son père et de ses amis de la famille, sur le thème des tokamaks, puis a travaillé au centre scientifique TRINITY. Il a postulé pour un poste vacant intéressant chez ITER et est actuellement impliqué dans la construction du plus grand tokamak jamais conçu par l'homme. Depuis la fin de l'année dernière, Vitaliy supervise, avec ses collègues, le développement du diagnostic neutronique.
En août, avec le soutien de notre Trinity Boiling Point, il a organisé un webinaire "Quand la fusion aura-t-elle lieu?" ... Au cœur de cet article se trouve une transcription traitée de sa conférence et de la session de questions-réponses qui a suivi.
Parlons donc de la fusion thermonucléaire.
Il y avait une telle blague: quelle que soit l'année où vous avez demandé quand la fusion aura lieu, ils vous répondent - dans 10 ans. Aujourd'hui, nous formulons ces prévisions en termes de timing sur la base du projet ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor (International Experimental Thermonuclear Reactor). Maintenant, c'est la bannière sous laquelle tous les développements majeurs dans ce domaine sont réalisés.
À son apogée, ITER devrait produire 500 MW d'énergie nucléaire, soit 10 fois ce qui est nécessaire pour le faire fonctionner. C'est l'un des projets énergétiques les plus ambitieux. Aujourd'hui, sept pays partenaires représentant plus de 50% de la population mondiale y participent: les pays de l'UE (en tant que participant unique), la Chine, l'Inde, le Japon, la Russie, la Corée et les États-Unis. Le projet est soutenu par l'Australie et le Kazakhstan.
Principes de base d'une installation thermonucléaire
Pour la partie non préparée du public, je vais faire une petite digression sur les principales idées derrière ITER.
Un réacteur expérimental est en cours de construction pour les isotopes de l'hydrogène - le deutérium et le tritium. Si le noyau de l'hydrogène ordinaire se compose d'un proton, alors le noyau de deutérium contient un proton et un neutron, et le noyau de tritium contient un proton et deux neutrons. À la suite de la réaction du deutérium et du tritium, un noyau complexe de cinq éléments est obtenu, qui se désintègre en hélium et en neutron.
Réaction nucléaire du deutérium et du tritium avec formation d'hélium et d'un neutron libre
L'hélium est un gaz inerte sans danger. Un neutron libre a une courte durée de vie, il n'est pas dangereux en soi. Mais il a beaucoup d'énergie, donc le neutron doit en quelque sorte être capturé et décéléré, et son énergie cinétique doit être utilisée avec avantage. Une option consiste à chauffer l'eau, à créer une turbine et à convertir cette énergie en électricité.
Pour combiner le deutérium et le tritium, ils doivent être dispersés l'un vers l'autre. Dans de grands volumes, cela peut être fait en chauffant un mélange de deux gaz. Mais pour mettre en œuvre cette réaction à l'échelle ITER (ayant obtenu un rapport donné de puissance consommée et utile), selon des calculs préliminaires, il faudra chauffer le mélange à 100-200 millions de degrés (en Kelvin ou Celsius, cela n'a plus d'importance). A titre de comparaison: le Soleil n'a que 10 millions de degrés, c'est-à -dire la température à l'intérieur du réacteur expérimental devrait être 10 à 20 fois plus élevée.
Les champs électriques et magnétiques peuvent être utilisés pour maintenir un plasma de cette température dans un volume fermé.
L'un des instruments appropriés a été proposé en Union soviétique - il s'agit d'une chambre toroïdale, appelée "tokamak".
Tokamak est une bobine magnétique, où les champs magnétiques sont formés de telle manière qu'ils maintiennent le plasma dans un certain volume à l'intérieur du "beignet".
Les vastes perspectives de la fusion thermonucléaire reposent sur trois piliers.
- Le combustible de la réaction décrite est en fait infini, les réserves existantes de terriens suffiront pendant des millions d'années: le deutérium est disponible dans l'océan mondial et le tritium peut être produit en quantités illimitées à partir du lithium.
- Une explosion ou une destruction nucléaire résultant d'une réaction thermonucléaire incontrôlée est en principe impossible. Si quelque chose ne va pas, la réaction s'éteint.
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Les tokamaks ont déjà été construits, y compris en Russie. Mais même le plus grand tokamak situé en Angleterre (Jet) consomme toujours plus d'énergie qu'il n'en produit: maintenant le rapport puissance reçue / consommation est de 0,8 à 0,9. ITER prévoit d'améliorer les résultats d'un ordre de grandeur, en atteignant un ratio de 10 au détriment d'autres physiciens des plasmas, qui devraient se nourrir. Certes, il reste à comprendre comment gérer ces processus.
Avec l'augmentation de l'échelle et de la température, les problèmes d'ingénierie se développent de manière non linéaire. Le volume de plasma a doublé - la bobine est nécessaire quatre fois plus. Nous avons besoin de supraconducteurs, qui devront être enveloppés dans une sorte de thermos et fournir une température de -270 degrés à l'intérieur. Ce sont tous des défis d'ingénierie non triviaux.
ITER: diamètre 28 mètres, hauteur 30 mètres. Poids - 30 mille tonnes
Voici à quoi ressemble ITER. Le tokamak est logé dans un ballon appelé cryostat. C'est la coque extérieure qui refroidit les supraconducteurs des bobines de champ magnétique.
À l'intérieur du tokamak, il est nécessaire de créer une température 100 fois supérieure à la température du Soleil - ce sera le point le plus chaud de notre Galaxie. Et à l'extérieur, il y aura l'un des endroits les plus froids - 4 degrés Kelvin.La distance entre les points les plus chauds et les plus froids n'est que de quelques mètres.
Quand la technologie ne suit pas la théorie
Dans presque tous les domaines du développement d'ITER, nous sommes confrontés à des problèmes que personne n'a jamais résolus.
Prenons, par exemple, l'électronique conçue pour fonctionner dans le vide et utilisée à des fins spatiales. Cependant, il n'a aucune protection contre les radiations, qui est presque inexistante dans l'espace. Il existe de l'acier et de l'électronique résistants aux radiations pour les réacteurs nucléaires, mais ils ne peuvent pas fonctionner dans le vide (il n'y avait tout simplement pas de telles exigences dans les réacteurs). Cela signifie que nous avons besoin de nouveaux matériaux qui résistent à la fois au vide et aux radiations.
Un autre exemple est celui des détecteurs de neutrons avec lesquels je travaille. Pour ITER, nous avons besoin de plusieurs centaines de détecteurs de 10 cristaux chacun. Au rythme actuel, le monde produit environ 10 à 50 cristaux par an et, d'ici 2025, il lui faudra environ 2000 cristaux. Cette demande ne peut être satisfaite par les installations existantes. Plusieurs laboratoires occidentaux travaillent à affiner la technologie.
Et de tels exemples peuvent être donnés à l'infini.
Une brève histoire d'ITER
Pour la première fois, le projet ITER a été discuté publiquement en 1985 lors du sommet de Genève - au plus fort du dégel des relations internationales. Les États-Unis et l'URSS - représentés par Gorbatchev et Reagan - se sont mis d'accord sur des développements communs dans le domaine de la fusion thermonucléaire. Et le parrain d'ITER peut peut-être s'appeler E.P. Velikhov , un scientifique soviétique qui a proposé cette idée à Gorbatchev.
La rencontre entre Reagan et Gorbatchev au sommet de Genève, 1985.
Pendant un certain temps, l'accord conclu a existé dans une sorte de vide, mais au début des années 2000, il a été rendu.
Lorsqu'un accord a été signé entre sept pays participants en novembre 2006 à l'Elysée, il est devenu clair que le projet ITER serait mis en œuvre.
Les travaux de construction du site ont débuté en 2007. En 2010, la forêt avait déjà été abattue sur le territoire, le terrain avait été nivelé et plusieurs bâtiments avaient été construits. Nous avons commencé à creuser une fosse de fondation pour le complexe de tokamak. La photo montre des voitures et des maisons. La superficie de la fosse excavée est de la taille d'un pâté de maisons.
En 2011, la fondation a été coulée.
Ci-dessous sur la photo se trouvent des supports sismiques actifs. Ils sont remplaçables: si l'un d'eux échoue, un robot spécial grimpera sous le bâtiment et le remplacera.
Au-dessus de la dalle de béton, il y a une disposition antisismique spéciale de l'armature, qui sera coulée avec du béton.
Je suis arrivé au projet en 2013. Ensuite, toute la construction est passée sous terre et ressemblait à ceci:
A partir de fin 2014, la construction de murs hors sol a commencé. Sur la photo ci-dessous - Bâtiment de l'Assemblée. Tous les principaux composants du système y entreront pour un assemblage préliminaire et seront transférés au bâtiment tokamak à l'aide d'une grande grue.
Et ceci est une sous-station haute tension et des transformateurs.
En 2015, le bâtiment de l'Assemblée a été enveloppé dans les murs extérieurs.
Et voici une photo de 2016:
Et la photo ci-dessous montre clairement les progrès de 2014 au printemps 2020. Les photos ont été prises sous des angles différents, mais elles montrent des améliorations significatives.
Et voici Ă quoi ressemble le projet aujourd'hui:
Le bâtiment de tokamak en béton avec des murs de 1 à 1,5 m d'épaisseur a été achevé le 18 juin 2020 (la structure métallique du dessus est provisoire).
Quelques photos de progrès supplémentaires. La première photo a été prise à l'intérieur du bâtiment tokamak. Le tokamak ITER sera situé sous ce couvercle. Au loin, vous pouvez voir le bâtiment d'assemblage et la grue en mouvement
Et c'est la base du cryostat. Il a déjà été installé là où le tokamak sera assemblé.
Au début de l'été 2020, le projet ITER est officiellement passé de la phase de construction à la phase d'assemblage. Nous recevons de gros éléments tokamak sur le chantier presque chaque semaine: des bobines, des parties d'une chambre à vide. Et c'est un nouveau défi. Les gros composants doivent être personnalisés avec la précision du mouvement. Par exemple, les tolérances pour la fabrication d'une chambre à vide (une structure de 30 mètres pesant légèrement moins d'un kilotonne) est de 1 mm. L'équipement peut devoir être ajusté pour s'adapter à des dimensions de composant inexactes.
Et en parallèle, il y a un raffinement constant de la conception, une modification des dessins.
Par exemple, les électriciens ont compris que des fils plus épais devraient être utilisés. Ceux-ci, à leur tour, ne rentrent pas dans les pipelines, et vous devrez augmenter les trous dans les murs. Cela signifie que le flux de neutrons vers l'extérieur augmentera. Conclusion: une électronique plus résistante aux radiations devra être développée.Il y a une telle blague que le projet est reconstruit tous les deux ans. Mais en même temps, pas une seule étape ne peut être manquée: vous ne pouvez rien faire pendant huit ans, en ne vous allumant qu'au stade final. Vous devez aller jusqu'au bout du début à la fin.
Structure du projet
Comme je l'ai dit, le projet compte sept participants. Conformément à l'accord de base, l'Union européenne investit 45%, le reste des pays 9% chacun. Ils investissent de l'argent - dans une organisation centrale du sud de la France. Ainsi que les équipements (pièces d'installation) et les meilleurs esprits.
Le graphique Ă barres ci-dessous montre comment les pays membres investissent dans des domaines individuels.
La huitième abréviation JF cache apparemment la part des autres pays (Kazakhstan et Australie). Cette répartition est assez plate. Les directions ne sont pas divisées entre les pays et il s'agit d'une étape délibérée pour que les connaissances dans chacun des domaines ne soient pas concentrées dans une seule main. Tout le monde en fait un peu. Par exemple, la Russie est responsable des tuyaux supérieurs de la chambre à vide. Elle réalise également plusieurs systèmes de diagnostic.
On voit ici que la Russie fournit des bobines d'un champ toroïdal, une partie de divertors, plusieurs modules de protection thermique, une partie d'une chambre à vide…
Un point important, sur lequel je voudrais m'arrĂŞter, est l'organisation des processus dans ITER.
Au centre de la structure se trouve le directeur général de l'organisation ITER, au-dessus de lui se trouve le conseil ITER, qui comprend des représentants de tous les partenaires participant au projet. Les gouvernements des pays participants sont représentés en vert sur le diagramme.
Le conseil gère l'ensemble du processus, dictant ses décisions au directeur. Lui, à son tour, les incarne dans la réalité, gérant un certain nombre de départements. Il n'y en a que trois sur le diagramme, en réalité il y en a beaucoup plus.
Les départements communiquent avec les agences locales des pays participants (parfois appelées agences d'origine) et interagissent avec les laboratoires et l'industrie - ce sont eux qui construisent les composants du tokamak et les systèmes de support.
Certains sous-systèmes sont fabriqués directement par ITER, mais la plupart passent encore par toute la chaîne - du directeur à l'usine dans un pays donné.
Comme vous pouvez le voir sur le diagramme, il n'y a pas de gestion de projet linéaire. Les agences locales ont accès à leurs gouvernements et la chaîne est fermée. Cette non-linéarité est une caractéristique importante d'ITER: différentes parties sont impliquées dans n'importe quel problème.
Quatre phases principales sont identifiées pour ITER.
Chronologie du projet. La pleine capacité est prévue pour 2035. Après cela, le système ne sera utilisé qu'à des fins scientifiques et pour tester des technologies
La configuration dite d'approche par étapes devrait produire le premier plasma d'ici décembre 2025. Cette date a été fixée il y a plusieurs années, et elle ne bouge pas, malgré le coronavirus et les changements politiques.Dans cette configuration, ITER ne fonctionnera que six mois. Nous appelons cette étape "plasma politique": à faible puissance, cela nous aidera à vérifier la chambre à vide, le système de chauffage, les aimants. En conséquence, nous devons comprendre que la chambre à vide fonctionne et qu'un plasma est en cours de création.
En outre, l'assemblage supplémentaire des systèmes minces, y compris le système de chauffage au plasma, commencera. Au fur et à mesure de la progression de l'assemblage, les opérations de puissance de préfusion 1 et 2 sont prévues pour 2028 et 2032, respectivement.
La capacité maximale sera atteinte en décembre 2035. Après 2035, ITER fonctionnera à des fins scientifiques pendant encore 10 ans. 5,5 mille décharges de 500 MW pendant 500 secondes sont prévues.
Au lieu de totaux
A ce stade, on ne parle pas de production commerciale d'électricité par fusion. Les neutrons ne seront pas capturés et leur énergie ne sera pas convertie en électricité. Les neutrons quitteront l'installation et seront piégés par les murs en béton du bâtiment. Les particules pénètrent dans les pièces et les cellules, il n'y aura donc personne dans le bâtiment pendant l'installation. Et les propriétés mécaniques des matériaux soumis à un bombardement constant de neutrons sont, bien entendu, calculées en tenant compte de la durée de vie prévue de l'installation (le rendement neutronique total sur toute la durée de fonctionnement de l'installation est d'environ 10 21 ).
En théorie, il existe plusieurs façons d'utiliser l'énergie cinétique des neutrons pour de bon. J'en ai déjà mentionné un - pour chauffer l'eau et mettre la turbine en marche. La deuxième manière est hybride. Un petit tokamak peut être recouvert d'uranium 238 et des neutrons peuvent être utilisés pour soutenir la réaction de désintégration de l'uranium. Dans ce cas, la masse d'uranium peut être bien inférieure à la masse critique, c'est-à -dire l'explosion ne se produira en aucun cas. Si quelque chose ne va pas dans une telle configuration hybride, la réaction s'éteindra tout simplement. L'uranium ne fonctionnera que du fait qu'il est bombardé par des neutrons qui apparaissent lors d'une réaction thermonucléaire. Et bien qu'une telle station produise des déchets radioactifs, elle est sûre - elle ne peut pas exploser.
Mais l'objectif final est, bien sûr, la fusion pure, sans uranium ni déchets nucléaires. C'est le seul objectif correct, mais le chemin pour y parvenir est long et difficile. Si ITER remplit sa fonction et répond à la question de savoir s'il est possible d'obtenir 10 fois plus d'énergie que celle dépensée d'ici 2035-2045, nous commencerons à construire une station de démonstration. Dans le meilleur des cas, d'ici 2050, elle répondra si le projet aura un démarrage commercial.Cependant, il est nécessaire d'aller dans cette direction. Et ITER est une bonne affaire. Chaque participant contribue 9%, mais reçoit 100% du développement. En fait, il s'agit d'un grand projet éducatif pour tous les pays, qui coûte beaucoup plus cher que tout développement commercial. Mais malgré cela, le projet avance comme prévu et ne déçoit pas. Chaque année, ils lui font de plus en plus confiance, ce qui signifie que la suite des travaux devrait aller mieux et plus vite.
La phase de construction principale d'ITER est terminée. L'heure est venue d'assembler le réacteur (photo - mars 2020)
En général, ce sera un cadeau pour nos petits-enfants. La progression du projet est décrite sur la chaîne YouTube de l'organisation ITER .