Lorsque le chemin est plus important que le but. Combien avons-nous encore avant une énergie thermonucléaire à part entière?

Voici à quoi ressemblait le complexe ITER en construction en février 2020. ITER pourrait devenir la première installation permettant d'obtenir un plasma thermonucléaire «brûlant» ou auto-entretenu. Cette installation en construction abritera un tokamak thermonucléaire et ses systèmes de support. Photo de l'archive ITER



Habré n'a pas ignoré l' actualitéque la Chine a lancé un nouveau tokamak, le Tokamak HL-2M. Cette nouvelle est d'autant plus intéressante qu'elle rafraîchit la mémoire de la triste construction à long terme de notre siècle - le futur réacteur thermonucléaire ITER, qui est construit par les forces de toute l'Europe dans le sud de la France et devrait devenir le premier appareil de ce type capable de produire plus d'énergie qu'il n'en consomme lui-même. Néanmoins, nous notons avec regret que le HL-2M et même ITER sont terriblement loin d'une centrale thermonucléaire à part entière.



Nous n'entrerons pas dans les détails du dispositif des tokamaks et de l'ITER lui-même - ces sujets sont considérés en abondance dans toutes sortes de sources, par exemple, dans les nouvelles habron susmentionnées. Sous la coupe, nous parlerons du chemin que ITER ouvre devant nous (traduit du latin «iter» signifie «chemin»), et pourquoi ce chemin s'est avéré se tordre comme le huit d'un stellarator.

Début

On peut dire que tout a commencé dans les années 1920, quand Arthur Eddington a suggéré que le soleil et les étoiles pouvaient brûler grâce à la conversion de l'hydrogène en hélium. Cette idée a été rapidement reprise par les journalistes et les écrivains de science-fiction, qui pensaient qu'il ne serait pas difficile d'exploiter l'énergie du Soleil et que l'eau la plus ordinaire pourrait devenir la matière première pour le combustible d'un tel réacteur.



Comme vous le savez, une réaction thermonucléaire est physiquement opposée à une réaction nucléaire. Si, au cours d'une réaction nucléaire, un noyau lourd se divise en noyaux plus légers, au cours d'une réaction thermonucléaire, les noyaux légers se fondent en noyaux un peu plus lourds. La réaction nucléaire la plus connue est la fission d'un noyau d'uranium:







il s'agit d'une séquence typique qui se déroule dans un réacteur nucléaire d'une centrale nucléaire.

Les réactions thermonucléaires, au contraire, se déroulent principalement avec la participation d'hélium et d'hydrogène et conduisent à la formation d'isotopes plus lourds à partir d'isotopes plus légers. Dans les étoiles de la séquence principale, la réaction thermonucléaire suivante est la plus typique: les







détails de la fusion thermonucléaire et les options de conception d'un réacteur thermonucléaire sont décrits dans un merveilleux article publié sur Habré par Mikhail Svarichevsky en 2013. Vous pouvez également y lire le verdict sceptique de l'auteur, selon lequel l'énergie thermonucléaire à part entière relève d'un avenir lointain. L'article est vraiment fougueux:







Pour l'instant, on constate que les difficultés techniques qui ont empêché la création d'une centrale thermonucléaire se sont avérées si graves que la périodisation de son développement est incomparable avec le rythme de développement de l'énergie nucléaire. Chronologie:

Fission nucléaire

1939 - découverte (L. Meitner et O. Frisch)

1942 - réacteur nucléaire Enrico Fermi ("Chicago woodpile") - réaction nucléaire contrôlée

1945 - premier essai nucléaire (Trinity) et bombardement d'Hiroshima et de Nagasaki - réaction nucléaire incontrôlée

1956 - première centrale nucléaire (Obninsk)

1986 - l'accident de la centrale nucléaire de Tchernobyl

La fusion nucléaire

1926 - l'hypothèse (A. Eddington) a été exprimée dans l'article "La structure interne des étoiles"

1934 - E. Rutherford a synthétisé l'hélium à partir de tritium

1952 - la première explosion thermonucléaire a été réalisée en URSS (bombe à hydrogène, réaction incontrôlée)

1954 - le premier tokamak a été construit en URSS

... ...

2025 - ITER devrait démarrer.



Néanmoins, dans le Bulletin de l' AIEA 2019, l'idée de créer une centrale à fusion est discutée très sérieusement et même au quotidien. Trois conditions doivent être remplies dans une centrale thermonucléaire à part entière:

1. Températures très élevées (plus de 100 millions de degrés Celsius)
2. Densité suffisante de particules dans le plasma (où la réaction a lieu) - ce qui augmente la probabilité de collisions entre particules
3. Confinement suffisamment fort, évitant les éventuelles fuites de plasma et assurant une réaction thermonucléaire stable.

En outre, dans le document suit un avertissement selon lequel la conception la plus réussie d'un réacteur thermonucléaire à l'heure actuelle est précisément le tokamak.



Si vous n'avez pas encore eu le temps de vous familiariser avec les liens ci-dessus et de vous rafraîchir la mémoire sur l'apparence et le fonctionnement d'un tokamak, nous nous attarderons brièvement sur cette question.



Tokamak est un mot abrégé signifiant "chambre toroïdale avec bobines magnétiques". Le premier tokamak a été construit en 1954 en URSS et le terme n'a été proposé qu'en 1957. En Occident, l'intérêt pour la construction de tokamaks est apparu beaucoup plus tard, en 1968, après qu'un groupe de scientifiques britanniques se soit familiarisé avec un tel dispositif à l'Institut Kurchatov, convaincus de son efficacité. Ainsi, un tokamak est à l'origine une chambre à vide toroïdale remplie d'un mélange de deutérium et de tritium, des isotopes d'hydrogène lourds. Les parois du tokamak, bien sûr, ne sont pas en mesure de maintenir le plasma chaud à l'intérieur, dans lequel se déroulent les réactions thermonucléaires, le plasma est donc maintenu dans la chambre toroïdale en utilisant les champs magnétiques les plus puissants et, étant là, ressemble à un cordon en forme.







L'indicateur physique le plus important permettant de juger si une réaction thermonucléaire produira plus d'énergie que le réacteur n'en consomme est le critère de Lawson , qui se résume à la formulation suivante:

Pour que la fusion thermonucléaire devienne une source d'énergie, le produit de la densité des particules et du temps de leur confinement à une distance extrêmement proche les unes des autres doit dépasser une certaine valeur.

À l'heure actuelle, la réaction thermonucléaire la plus énergétiquement favorable est considérée comme la fusion thermonucléaire impliquant deux isotopes de l'hydrogène: le deutérium et le tritium. Lorsqu'un noyau de deutérium et un noyau de tritium fusionnent, un noyau d'hélium plus un neutron de très haute énergie se forme. Si les conditions nécessaires sont remplies, l'énergie libérée dans ce cas est suffisante pour d'autres réactions thermonucléaires. De plus, la réaction deutérium-tritium est la plus avantageuse d'un point de vue pratique, puisque la barrière coulombienne est plus facilement surmontée pendant celle - ci , et cette réaction est le plus commodément maintenue dans des conditions créées artificiellement.



Il convient de noter que, avec la paire deutérium-tritium ,trois autres variantes de réactions thermonucléaires qui peuvent potentiellement être appliquées dans l'industrie. Les voici tous:

1. Deutérium + deutérium (tritium et proton 4,0 MeV),
2. Deutérium + deutérium (hélium-3 et neutron, 3,3 MeV),
3. Deutérium + tritium (hélium-4 et neutron, 17,6 MeV),
4. Deutérium + hélium-3 (hélium-4 et proton, 18,2 MeV).

Nous reviendrons sur la quatrième réaction, la plus favorable du point de vue énergétique, ci-dessous.



Un facteur important limitant la base de ressources pour l'énergie thermonucléaire est la nécessité d'extraire du deutérium et de produire du tritium. Attardons-y plus en détail.

Reproduction du tritium

Le deutérium est de nature relativement abondante et peut être récupéré en quantité suffisante dans l'eau de mer. Le tritium, bien que présent dans la nature, est trop rare pour être extrait en quantités utiles. Par conséquent, il devra être synthétisé industriellement. Actuellement, le tritium est extrait du liquide de refroidissement des réacteurs à eau lourde, ou est obtenu en bombardant des cibles au lithium dans des réacteurs à eau légère.



On suppose que l'exploitation d'une centrale thermonucléaire de 500 mégawatts nécessitera environ 50 kilogrammes de combustible tritium par an. Cette valeur dépasse non seulement largement les capacités de l'industrie moderne, ce qui permet d'obtenir environ 2-3 kg de tritium par an, mais ne prend pas non plus en compte le coût de production, qui atteindra des milliards de dollars. Ainsi, l'énergie thermonucléaire nécessite le développement d'une méthode permettant de multiplier le tritium directement à la station. Heureusement, la réaction thermonucléaire elle-même pourrait potentiellement devenir une telle méthode.



En entourant le tokamak d'une couverture de lithium, il est possible (avec dégagement de chaleur) d'obtenir du tritium, lorsque les noyaux de lithium vont capturer les neutrons formés lors de la fusion et se transformer spontanément en tritium. Des solutions technologiques sont en cours de développement pour collecter le tritium ainsi formé.



En outre, une question pertinente est la suivante: l'énergie thermonucléaire est-elle si écologique et énergétiquement bénéfique? Certaines des objections soulevées dans l'article susmentionné de Mikhail Svarichevsky doivent être citées ici:

1. — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
2. Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
3. Q=10, , - , . ( -)
4. Il n'y a pas beaucoup de combustible thermonucléaire - le tritium est très cher et rare. Sa production n'est ni plus simple ni moins chère que l'obtention de plutonium à partir de déchets d'uranium ou d'U-233 à partir de thorium.
5. Hélium-3 - n'aiderait en aucune façon l'humanité, même s'il y avait des montagnes sur terre. La réaction parasite D + D donnera toujours un rayonnement, et la température optimale est d'un milliard de degrés, bien plus difficile que D + T sur laquelle l'humanité se bat en ce moment.

Et voici ce que l'AIEA note sur le respect de l'environnement des centrales thermonucléaires:



Le processus de fusion thermonucléaire le plus simple implique deux isotopes de l'hydrogène: le deutérium et le tritium. Le tritium est radioactif, mais sa demi-vie est courte (12,32 ans). Il n'est utilisé qu'en petites quantités et ne présente donc pas le même danger que les noyaux radioactifs à vie longue. À la suite de cette réaction du deutérium avec le tritium, un atome d'hélium (un gaz inerte) et un neutron se forment. L'énergie de ces produits (atome et neutron) peut être collectée pour alimenter un réacteur et produire de l'électricité, respectivement. Par conséquent, il ne reste aucun déchet radioactif à vie longue des réactions thermonucléaires. Mais le processus de fusion produit des matériaux activés par les neutrons qui entourent le plasma. En d'autres termes, lorsque des neutrons (un produit de réaction de fusion) frappent les parois du réacteur, le réacteur lui-même et ses composants deviennent radioactifs.Par conséquent, lors de la construction des centrales thermonucléaires à l'avenir, il sera nécessaire d'optimiser leur conception de manière à minimiser cette radioactivité neutronique et le volume de déchets radioactifs générés en conséquence.



Ainsi, ITER peut être considéré non pas tant comme un supertokamak que comme un prototype de test d'une centrale thermonucléaire, ce qui permettra d'évaluer les défis technologiques et environnementaux auxquels l'industrie est confrontée. Parmi eux: l'élevage de tritium, la surveillance du plasma, le diagnostic avancé, l'anti-usure des structures. En outre, il reste à voir combien de temps la cuve du réacteur est capable de résister à une exposition au plasma chaud.



Comme toute technologie prometteuse, l'énergie thermonucléaire génère déjà ses propres «startups». Voici les plus importants:

1. TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).
   
   
   
   
2. Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
3. General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
4. Énergie Tokamak . La société, basée au Royaume-Uni, vise à lancer la fusion traditionnelle à l'aide d'un tokamak, mais utilise un tokamak qui ressemble à une sphère plutôt qu'à un beignet. Cette unité s'appelle ST40 et fait actuellement l'objet de recherches. On suppose que des températures allant jusqu'à 15 millions de degrés Celsius y sont atteignables.

Comme il ressort de ce qui précède, dans le premier tiers du XXIe siècle, nous sommes arrivés à l'étude de toutes ces technologies exotiques de fusion thermonucléaire principalement pour trois raisons qui compliquent l'utilisation industrielle de cette énergie:

1. Difficulté à extraire le tritium.
2. La complexité du confinement stable du plasma magnétisé à l'intérieur du réacteur.
3. La complexité du stockage des déchets radioactifs - en raison de l'effet des neutrons, le réacteur lui-même devient radioactif.

Golconde régolithique

Et voici le moment de passer à la dernière partie de notre excursion: faites attention à l'hélium-3, qui participe à la quatrième des réactions thermonucléaires les plus importantes mentionnées ci-dessus:



Deutérium + hélium-3 (hélium-4 et proton, 18,2 MeV)



Le rendement énergétique est sensiblement plus élevé 17,6 MeV produit par la réaction au tritium, et au lieu d'un neutron, nous avons un proton comme sous-produit, ce qui résout en grande partie le problème de la contamination radioactive.



Le problème principal est que l'hélium-3 (dont le noyau est constitué de deux protons et d'un neutron) est extrêmement rare par rapport à l'isotope principal hélium-4 (deux protons et deux neutrons): la part d'hélium-3 sur Terre est de 0,000137% (1,37 ppm); le vent solaire est la principale source de cet isotope sur notre planète.



Mais en 1986, des experts de l'Institut de technologie de fusion de l'Université du Wisconsin ont déterminé que le sol lunaire, régolithe, pouvait contenir un million de tonnes d'hélium-3. L'extraction d'hélium-3 sur la Lune peut être une entreprise commercialement viable, car l'énergie qui en est extraite est 250 fois supérieure à l'énergie nécessaire à son extraction et à sa livraison sur Terre. Les réserves lunaires d'hélium-3 peuvent être suffisantes pour fournir de l'énergie thermonucléaire pendant des siècles.



Les neutrons formés lors de la fusion deutérium-tritium s'échappent du réacteur, car ils n'ont pas de charge électrique et ne peuvent donc pas être contenus par un champ électromagnétique. Au contraire, les protons - un sous-produit d'une réaction thermonucléaire avec l'hélium-3 - ont une charge positive et il n'est pas difficile de les capturer. De plus, vous pouvez utiliser l'énergie des protons eux-mêmes, qui ira directement à la production d'électricité. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'obtenir de la vapeur d'eau pour faire tourner la turbine - c'est sur ce principe que l'énergie est produite dans les centrales nucléaires modernes.



Ainsi, l'exploration de la lune acquiert une valeur pratique non illusoire. Le développement de technologies de fusion thermonucléaire, éventuellement initialement basées sur la fusion deutérium-tritium, pourrait devenir une étape sur la voie de l'autosuffisance énergétique de l'industrie minière du régolithe lunaire, dont le but est de fournir à la Terre du combustible thermonucléaire.



Nous sommes tellement plongés dans la science-fiction ici qu'il est temps de mettre fin soigneusement à cet article et de remercier tous ceux qui ont fini de lire et sont prêts à en discuter.



Bien que, en tant qu'épilogue, je propose de regarder ceciun vieil article du magazine "Schrödinger's Cat". Non seulement il a des images sympas, mais il a également jeté un pont entre le sujet que nous avons couvert ici et le sujet de la terraformation. Dans cette industrie du futur, apparemment, la fusion est également indispensable.



Jusqu'à présent, ITER et l'ensemble du chemin décrit sont loin d'être terminés. Mais j'aimerais espérer que la route sera maîtrisée par celui qui marche.