Nous avons déjà écrit sur des idées et des développements inattendus et remarquables dans le domaine de l'obtention d'énergie à partir de la fission nucléaire. Et aussi sur ce qu'il faut faire en cas de problème avec les réacteurs nucléaires. La liberté, comme vous le savez, vaut mieux que la non-liberté, et la synthèse vaut mieux que la décomposition. C'est exactement ce que les scientifiques pensaient il y a cent ans, lorsqu'ils ont pris les premières mesures pour apprivoiser la fusion thermonucléaire. Dans cet article, nous décrirons brièvement ce qu'est la fusion thermonucléaire, à quel stade en sont les développements scientifiques et quand il vaut la peine d'attendre l'introduction d'une nouvelle méthode de production d'énergie. Après tout, c'est précisément pourquoi l'humanité a besoin de lui.
Regarder le soleil: l'histoire de la découverte de la fusion thermonucléaire
Avec le développement de la science, l'humanité a commencé à se demander comment le Soleil fonctionne, pourquoi il ne s'éteint pas et continue d'émettre de la chaleur et de la lumière. Dans les années vingt du siècle dernier - il y a près de cent ans - le scientifique britannique Arthur Stanley Eddington a proposé les idées du cycle proton-proton, c'est-à-dire un ensemble de réactions thermonucléaires, au cours desquelles l'hydrogène dans les étoiles se transforme en hélium. Et cette réaction s'accompagne de la libération de quantités colossales d'énergie, qui peuvent être facilement ressenties en sortant simplement par une journée ensoleillée.
Un peu plus tard, déjà dans les années trente, des scientifiques de l'Université de Cambridge, dirigés par l'Australien Mark Olyphant, à la suite d'une série d'expériences, ont découvert des nucléons (nom commun des protons et neutrons qui composent le noyau atomique) d'hélium-3 et de tritium, qui participent à ces réactions, et leur homologue allemand, Hans Bethe, a reçu le prix Nobel de physique pour ses contributions à la théorie des réactions nucléaires et, en particulier, pour ses découvertes concernant les sources d'énergie dans les étoiles. Déjà en 1946, Sir George Padget Thomson et Moses Blackman ont décrit et breveté l'idée du Z-pinch, c'est-à-dire un système de confinement du plasma utilisant un champ magnétique ou «piège magnétique», qui a servi de base à d'autres expériences pour créer les premiers dispositifs de fusion thermonucléaire contrôlée.
Piège magnétique de laboratoire, photo: Sandpiper / Wikimedia Commons
Puissance infinie: avantages, inconvénients et obstacles à la mise en œuvre
Passons de l'histoire à la théorie générale. La fusion thermonucléaire contrôlée est le processus d'obtention de noyaux atomiques plus lourds à partir de noyaux plus légers dans le but (en théorie) d'utiliser l'énergie libérée pour générer de l'électricité. En substance, c'est l'opposé de la réaction de fission utilisée dans l'ingénierie nucléaire traditionnelle. Fondamentalement, le deutérium et le tritium sont utilisés pour la réaction de fusion thermonucléaire (la réaction dite DT), bien que des options avec le deutérium et l'hélium-3 soient également possibles, entre les noyaux de deutérium (DD) et d'autres combinaisons d'isotopes.
Par eux-mêmes, les noyaux atomiques n'interagissent pas très volontiers à cause de la "barrière coulombienne", c'est-à-dire des forces de répulsion électrostatique entre eux. Pour le surmonter et déclencher une réaction dans des conditions terrestres, la substance doit être chauffée à une température suffisamment élevée, et dans ce cas, nous parlons de centaines de millions de degrés. C'est de ce processus que la fusion thermonucléaire tire son nom. La combinaison de deutérium et de tritium nécessite dans ce cas une température «minimale» pour le début de la réaction (ces mêmes 100 millions de degrés), elle est donc le plus souvent utilisée dans les installations expérimentales.
Réaction de fusion DT. Source: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation
Aussi, au cours de la réaction, un grand nombre de neutrons apparaissent, mais nous parlerons de leur signification un peu plus bas, et nous essaierons d'abord d'expliquer pourquoi l'application commerciale de ce procédé a généralement excité les esprits de l'humanité depuis 70 ans. Ainsi, les avantages de la fusion thermonucléaire contrôlée:
- Disponibilité comparative des isotopes pour la réaction. Le deutérium peut être facilement obtenu à partir de l'eau de mer, dont les réserves sont plus que suffisantes sur Terre. Le tritium n'est pas présent dans la nature, puisqu'il n'a qu'une demi-vie de 12,3 ans, mais il est obtenu à partir de lithium-6 et d'eau lourde de réacteurs nucléaires, que nous ne sommes pas prêts d'abandonner dans les années à venir.
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De plus, lors de la fusion thermonucléaire, aucune substance n'est libérée qui peut ensuite être utilisée pour fabriquer des armes «sales».
Tokamak JET, photo: EFDA JET / Wikimedia Commons
Mais pourquoi, alors, le principe même de la fusion thermonucléaire contrôlée, développé au milieu du siècle dernier, n'a pas encore été mis en pratique ou mis en œuvre uniquement comme des installations expérimentales qui n'ont pas commencé à produire de l'électricité? Regardons les inconvénients et les limites de ce processus.
Revenons d'abord à nos neutrons. Lors de la réaction avec l'utilisation de DT, un flux neutronique est généré, qui bombarde les parois de l'enceinte de confinement du réacteur. En conséquence, il s'agit du rayonnement dit «induit», qui complique grandement la maintenance des équipements et, très probablement, entraînera la nécessité de le remplacer périodiquement, car avec le temps, du bombardement neutronique, les matériaux deviennent non seulement radioactifs, mais aussi fragiles. Pour résoudre ce problème, il est proposé d'utiliser des matériaux insensibles aux rayonnements, qui dureront plus longtemps, mais leur utilisation augmentera les coûts déjà colossaux de construction de centrales à fusion thermonucléaire. L’utilisation d’autres substances actives est également envisagée afin d’obtenir des réactions «sans neutrons»,mais nous avons déjà discuté des exigences de densité et de température de réaction pour eux ci-dessus.
Même au niveau actuel de développement technologique, les scientifiques et les ingénieurs ne peuvent pas garantir que la consommation d'énergie pour chauffer et amener la substance dans le réacteur à un état plasma, puis la maintenir dans cet état, malgré la perte constante de chaleur (ainsi que pour refroidir le système, fonctionne électroaimants et autres sous-systèmes), est tombé plus bas que la quantité d'énergie libérée pendant la réaction. Par exemple, le tokamak JET britannique a atteint un rapport entre l'énergie entrante et sortante de seulement 67%, soit 0,67 Q.Q est un indicateur qui exprime le rapport des quantités d'énergie dépensées et reçues dans un tel système, et de sorte que la réaction de fusion est considérée comme auto-entretenue , il doit être au moins égal à 5 et beaucoup plus élevé pour générer des capacités utiles. Aujourd'hui, il n'y a pas de réacteurs d'une telle valeur dans le monde.
La dernière question, bien sûr, est la rentabilité et le coût. Pour obtenir une imitation précise des réactions à l'intérieur du Soleil, il ne suffit pas de prendre du tritium et du deutérium et de leur apporter une correspondance conditionnelle. Un réacteur à fusion thermonucléaire est une conception incroyablement complexe, encombrante et coûteuse, qui a sa place pour un système de refroidissement massif, un grand nombre d'électroaimants de différents types et même ses propres centrales électriques.
On estime que les coûts de construction du tokamak expérimental ITER (voir ci-dessous), qui n'est pas encore achevé, pourraient dépasser 20 milliards de dollars. Dans le même temps, le réacteur n'est généralement pas conçu pour produire de l'électricité, c'est-à-dire que le seul bénéfice de l'exploitation d'ITER sera l'expérience du travail conjoint de scientifiques et de données expérimentales.
Magie pratique: types de construction de base et jalons de leur développement
Classiquement, les installations de fusion thermonucléaire contrôlée peuvent être divisées en quatre types: les tokamaks, les stellarateurs, les pièges à miroir et les systèmes à impulsions. A partir de leur exemple, nous proposons d'envisager à la fois le développement d'idées qui dans le futur peuvent conduire à la production d'électricité par fusion thermonucléaire, et des branches "sans issue", qui pour une raison ou une autre dans les années à venir (ou jamais) ne sortiront pas du cadre de la théorie et des expériences. ...
TokamakEst une abréviation de «chambre toroïdale avec bobines magnétiques», laquelle chambre est l'élément principal du réacteur, qui sert à confiner le plasma. Dans ce cas, des bobines magnétiques enroulées autour de la chambre du réacteur sont utilisées pour créer un champ spécial qui empêche le plasma d'entrer en contact avec ses parois, ce que les matériaux thermo-isolants modernes ne résisteraient tout simplement pas. Dans le même temps, un courant traverse également le plasma lui-même, ce qui sert à la fois à le chauffer et à créer un champ magnétique poloïdal. Dans les conditions modernes, ce champ ne peut pas exister plus de quelques secondes, et sans lui, le plasma perd sa stabilité, il est donc trop tôt pour parler de l'utilisation de tokamaks pour la production continue d'électricité.bien qu'il soit possible de maintenir le courant plus longtemps en utilisant un rayonnement micro-ondes ou en injectant des atomes neutres de deutérium / tritium dans le plasma.
Tokamak KSTAR, Corée du Sud, photo: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons Les
idées de Tokamak ont été décrites pour la première fois en Union soviétique dans les années 50 du siècle dernier, et le premier réacteur de ce type a été construit à l'Institut Kurchatov en 1954. Pendant longtemps, les tokamaks sont restés un développement purement soviétique, mais dans les années 1970, des scientifiques britanniques ont confirmé les résultats records du chauffage au plasma obtenus au tokamak soviétique T-3 et se sont intéressés à la technologie dans le monde entier.
Aujourd'hui, les tokamaks sont considérés comme le développement le plus prometteur, et leur nombre dans le monde dépasse le nombre d'installations d'autres types. Parmi les réalisations dans ce domaine, il convient de noter le chinois EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, construit avec le soutien de la Fédération de Russie), qui a atteint une température de plasma de 100 millions de degrés en 2018, le JET européen (Joint European Toru), situé au Royaume-Uni et considéré comme le plus grand tokamak de world, ainsi que l'ITER déjà évoqué ci-dessus, sur lequel nous nous attarderons plus en détail.
Circuit tokamak ITER. Source: Laboratoire national d'Oak Ridge - Tokamak ITER et systèmes d'usine (2016) / Wikimedia Commons
L'idée de construire un ITER (réacteur expérimental thermonucléaire international, réacteur expérimental thermonucléaire international) a été discutée en 1985, lors d'une réunion entre Ronald Reagan et Mikhail Gorbatchev, mais la véritable construction n'a commencé qu'en 2010. De nombreux pays sont impliqués dans les travaux sur le réacteur, notamment le Japon, les pays de l'UE, la Russie, les États-Unis, la Corée du Sud, la Chine et l'Inde. Le résultat du projet commun sera une structure géante pesant 23000 tonnes, qui déplacera le JET du piédestal du plus grand tokamak de la planète et, en théorie, pourra porter la valeur Q à 30.bien que les créateurs d'ITER ne se fixent pas pour objectif de produire de l'électricité - la tâche du tokamak est enfin de prouver la possibilité même d'utiliser la fusion thermonucléaire dans ce domaine et d'ouvrir la "voie" (c'est ainsi que le nom abrégé du réacteur est traduit du latin) pour DEMO, le premier tokamak à bilan "positif", qui ne commencera qu'au milieu du 21e siècle.
Dans le projet ITER, le Japon était responsable du développement et de la production de l'un des éléments les plus importants - les bobines supraconductrices nécessaires pour former un champ magnétique autour de la chambre du réacteur. Plus précisément, Toshiba conçoit des bobines de champ toroïdal géantes de 16,5 mètres pesant environ 300 tonnes. Dans le même temps, il est nécessaire d'observer des tolérances dimensionnelles extrêmement strictes pour chaque pièce - quelques millimètres seulement - afin que les technologies et méthodes inventées lors des travaux sur les tokamaks expérimentaux japonais, JT-60 et JT-60SA, deviennent d'une grande aide.
Stellarators(de lat. stella - "star") tire son nom de la similitude des processus dans le réacteur avec ceux qui se produisent à l'intérieur des étoiles. Le premier prototype a été construit en 1951 aux États-Unis sous la direction de son inventeur, Lyman Spitzer. La principale différence entre les stellarators et les tokamaks réside dans la conception du piège magnétique: dans les stellarators, seules des bobines externes sont utilisées pour confiner le plasma dans la chambre, ce qui crée des lignes de force tournant autour de la chambre. Cette conception permet théoriquement l'utilisation d'un piège magnétique en mode continu. Dans les stellarators, comme dans les tokamaks, un mélange de deutérium et de tritium est presque toujours utilisé, qui est introduit dans l'enceinte à vide de la chambre. Les conceptions modernes ont abandonné la chambre en forme de tore au profit de modèles complexes créés à l'aide de simulations informatiques.Leur objectif est de maximiser l'efficacité du confinement du plasma.
Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons
Malgré la possibilité d'une exposition continue au plasma et la conception modifiée de la chambre, les stellarators ne sont pas aussi répandus que les tokamaks. Cela est principalement dû à la plus grande complexité de la conception et à leur moindre efficacité dans les conditions modernes. Le Wendelstein 7-X, construit à Greifswald en Allemagne en 2015, est devenu le plus grand stellarateur du monde et une sorte d '«épitaphe» de ce développement. Selon les calculs des scientifiques, il a dû porter le temps d'exposition continue des électroaimants au plasma à 30 minutes afin de démontrer la possibilité d'utiliser des stellarateurs pour la production d'électricité à long terme. De plus, en 2018, au cours de l'expérience, la température du plasma n'a été portée qu'à 40000 degrés Celsius et le temps de fonctionnement a été ramené à 100 secondes. Les prochains tests sont prévus pour 2021.
- Ce type de centrale de fusion thermonucléaire contrôlée reste largement un développement théorique. Même l'académicien Andrei Sakharov en 1960 a prouvé que la fusion thermonucléaire est possible sans l'utilisation de pièges magnétiques, proposant le contraire de l'approche classique. Dans ce cas, il ne s'agit pas d'un plasma super raréfié, que les champs électromagnétiques maintiennent longtemps en place, mais de sa version superdense (et extrêmement courte durée). Il est proposé de faire exploser des «cibles» miniatures à composition DT gelée dans des systèmes pulsés à l'aide de puissants lasers ou faisceaux de rayonnement afin de réaliser une sorte d'analogue d'explosions de carburant dans les moteurs à essence, uniquement au niveau des réactions thermonucléaires. Un tel système avec des explosions périodiques peut fournir une chaîne presque continue de réactions thermonucléaires génératrices d'énergie,tout en (en théorie) sans endommager la coque du réacteur.
NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons
Parmi les développements existants dans ce domaine, il convient de mentionner le projet MagLIF et le NIF (National Ignition Facility, ou National Complex for Laser Thermonuclear Reactions) du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie. Malgré le potentiel continu de cette idée, le gouvernement américain prévoyait de mettre fin au financement du programme en 2012 en raison des résultats pratiques insuffisants. A partir d'aujourd'hui, les expérimentations se poursuivent, mais la complexité des «cibles» elles-mêmes et la nécessité de les livrer régulièrement à la chambre, dans laquelle se produit alors une explosion, équivalente à une tonne de TNT, laissent ce type d'installation loin derrière les tokamaks et les stellarators en termes de praticité.
Pièges à miroir- La première expérience utilisant des pièges magnétiques «ouverts» a été réalisée en 1955 dans le même laboratoire national Lawrence Livermore. L'idée derrière les pièges était d'utiliser non pas un tore fermé, mais un vaisseau magnétique allongé, ouvert à deux extrémités opposées. Dans ce cas, le "nouveau" plasma devait chauffer à la température requise, abandonner de l'énergie et sortir par les trous latéraux (ou être repoussé par le champ magnétique, comme des miroirs - d'où le nom). Grâce à cette forme et à ce mécanisme, leur coût était bien inférieur à celui des modèles concurrents, de sorte que pendant un certain temps, les pièges à miroirs semblaient être un développement extrêmement prometteur. Mais au fil du temps, les expérimentateurs ont été confrontés à une instabilité du plasma, mal comprise au moment du début du développement,ce qui a conduit à des problèmes et à l'impossibilité d'atteindre les températures requises pour la fusion thermonucléaire. Par la suite, des modifications ont été apportées à la conception à plusieurs reprises, mais l'ambitieuse installation américaine MFTF, par exemple, a été fermée avant même le début des essais, car les tokamaks se sont finalement avérés plus simples, plus puissants et moins chers.
Parmi les développements intéressants de ce type, il convient de noter le GDL (gas dynamic trap) russe de Novossibirsk, qui est en cours de création sur la base du projet soviétique des années 50, le «piège ouvert» «cellule miroir de Budker». À partir de 2018, des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de Novossibirsk du SB RAS ont réussi à atteindre une température de 10 millions de degrés et, en 2020, ils ont reçu une subvention du ministère de l'Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie pour l'achat de nouveaux équipements afin de poursuivre les expériences.
Beau demain: au lieu de conclusions
Parmi les scientifiques traitant des problèmes de fusion thermonucléaire, on dit en plaisantant qu '«il ne reste plus que 30 ans avant le succès de la recherche et le début de l'utilisation commerciale des réacteurs», et ils ont répondu de cette manière pendant plus d'une décennie (stabilité!) Néanmoins, les technologies continueront de se développer et l'humanité cherchera des moyens «d'apprivoiser» la fusion thermonucléaire et de créer un soleil artificiel miniature qui répondra à nos besoins en électricité sans risquer de répéter la catastrophe de Tchernobyl et sans nuire de façon permanente à l'écologie de la planète. Cette recherche peut être directement influencée par des développements tels que ITER, et nous sommes ravis que le Japon et Toshiba soient directement impliqués. Et ce qui va se passer ensuite ... nous verrons dans 30 ans.