Tokamak

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1946 : le dispositif de confinement magnétique testé par Thoneman (tores en verre et en métal), au laboratoire Clarendon (Oxford, Royaume-Uni)

Un tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à contrôler un plasma nécessaire à la production d'énergie par fusion nucléaire. Ce terme vient du russe « toroidalnaja kamera magnetnaja katuska » (en français : chambre toroïdale à confinement magnétique). On rencontre – plus rarement – la graphie tokomak.

Il s'agit d'une technologie expérimentale. L'objectif serait de produire de l'électricité en récupérant la chaleur produite par la réaction de fusion nucléaire.

Le tokamak fut inventé par les Russes Igor Tamm et Andreï Sakharov.

[modifier] Le principe

Image:D-t-fusion.png

La fusion nucléaire permet à partir de deux atomes très légers (par exemple le deutérium et le tritium) de créer des atomes plus lourds. Cette transformation produit un défaut de masse qui se manifeste sous forme d'énergie (E=mc² où E est l'énergie produite en joules, m la masse disparue en kg, et c la vitesse de la lumière dans le vide, en m.s-¹). Cet excès d'énergie peut se transformer en excès de chaleur, qui par convection peut être convertie en électricité au moyen d'une turbine à vapeur couplée à un alternateur.

[modifier] Les conditions nécessaires

[modifier] La température de fusion

Pour produire une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer la matière à de très hautes températures (plusieurs centaines de millions de degrés). Dans ces conditions, les électrons se détachent complètement de leur noyau — on dit que l'atome s'ionise. La matière entre alors dans un nouvel état : l'état de plasma.

Afin d'obtenir de telles températures, plusieurs méthodes sont disponibles :

l'utilisation de l'effet Joule produit par le déplacement des électrons (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de 10 millions de degrés) ;
l'injection de particules accélérées dans un accélérateur de particule annexe ;
l'échauffement obtenu par de puissants lasers (effet Compton) ;
l'utilisation d'ondes électromagnétiques aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du four à micro-ondes).

Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire serait sûrement obtenue par une combinaison de ces méthodes.

[modifier] Le confinement du plasma

Intérieur du tokamak JET au repos et en fonctionnement (avec l'aimable autorisation de EFDA-JET)

L'enjeu consiste alors à contrôler ce plasma au cœur du tokamak dans un volume limité et suffisamment éloigné des équipements. Comme le plasma est constitué de particules chargées, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur d'un tore au moyen de champs magnétiques. Pour cela on doit créer un champ toroïdal auquel on associe une composante de champ qui lui est perpendiculaire (champ poloïdal). Dans les dispositifs du type Tokamak, le champ poloïdal est créé par un fort courant induit au sein même du plasma.

Ce dispositif se distingue des Stellarators, qui adoptent la même configuration de chambre à fusion de forme torique, mais au sein desquels aucun courant ne circule dans le plasma.

[modifier] Le bilan énergétique

On constate ainsi qu'il est nécessaire de fournir une énergie initiale pour garantir les conditions de maintien de la réaction (température et confinement). Or, plus on injecte de conbustible, plus l'énergie thermique produite est importante.

Lorsque la température produite est égale à celle demandée par la réaction, il n'est plus nécessaire de réchauffer le combustible par des moyens extérieurs, on a alors atteint le seuil d'ignition de la réaction.

Ainsi pour un tel générateur, lorsque le rapport de l'énergie produite par rapport à l'énergie fournie de façon extérieure arrive à l'équilibre (autant d'énergie produite que d'énergie nécessaire au maintien de la réaction), on parle de breakeven. Ce générateur devient alors autonome sur un plan énergétique. Au delà de ce seuil, tout surplus de combustible produira un surplus d'énergie au bénéfice de l'exploitant.

[modifier] Les avantages

Les avantages d'une telle technologie sont variés :

Une grande quantité de « carburant » fusible disponible : la matière fusible choisie est constituée de deutérium et de tritium. On trouve le deutérium (ou eau lourde quand cet isotope est combiné à l'oxygène) à l'état naturel (1 atome de Deutérium pour 6 000 atomes d'hydrogène dans l'eau soit 30 mg/l d'eau). Et on peut facilement réintroduire le tritium produit par la réaction de fusion du réacteur. (Le réacteur auto-produirait ainsi une partie de son combustible).
Une faible production d'éléments radioactifs : le combustible est faiblement radioactif (tritium) et sa production reste confinée dans l'enceinte du réacteur. À la fin de vie du réacteur, les éléments radioactifs à recycler sont pour la plupart dits « à vie courte ».
Un faible risque d'accident nucléaire majeur : étant donné les conditions strictes nécessaires à la fusion, toute anomalie dans l'état de la réaction provoque l'arrêt immédiat des réactions en cours. Il n'y a donc pas de risque d'emballement de la réaction.

[modifier] Les difficultés

Cette technologie est encore difficile à maîtriser :

La physique des plasmas n'est pas encore bien maitrisée, il est notamment très difficile de modéliser le comportement d'un plasma dans un confinement magnétique.
Le choix et l'utilisation des matériaux sont très importants car les contraintes imposées sont nombreuses (température, résistance aux champs magnétiques, stabilité aux radiations, importante durée de vie ...).
Le tritium pose le problème de sa diffusion élevée dans les différents matériaux. Cela complique d'autant le choix de ces matériaux et la décontamination du tritium.
Pour atteindre l'objectif d'une fusion auto-entretenue rentable, il est nécessaire de confiner une grande quantité de plasma. La rentabilité des plasmas obtenus se lie à la taille des installations. Par exemple, la durée de confinement du plasma utile (fusible) varie avec le carré du grand rayon du plasma traité. Ainsi, malgré le faible coût d'acquisition du combustible, les charges concernant la construction et la maintenance de tels dispositifs seront très importantes.

[modifier] Les prototypes

Image:ITER-img 0237 detoure.jpg

Il existe actuellement plusieurs prototypes de tokamak :

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), qui est en cours de construction à Cadarache
Joint european torus (JET), basé à Culham au Royaume-Uni ;
Tore Supra, basé à Cadarache en France ;
JT-60 ou JAERI - Japan Atomic Energy Research Institute - Tokamak 60, au Japon ( Naka )
Asdex et son amélioration Asdex-Upgrade, conçu en Allemagne dans les années 80
Doublet et son amélioration DIII-D, conçu aux Etats-Unis dans les années 80

Premiers prototypes :

Tokamak T3, conçu en Union soviétique dans les années 1960
TFR (Tokamak de Fontenay-aux-Roses), conçu en France dans les années 1970
PLT, conçu aux États-Unis dans les années 1970
T 10, conçu en Union soviétique dans les années 1970
TFTR, conçu aux États-Unis dans les années 1980, aujourd'hui fermé

Il existe de nombreuses autres expériences, chacune avec ses spécificités :

MAST et Compass D en Angleterre
Castor en Tchécoslovaquie
FTU en Italie
Tokamak à Configuration Variable, ou TCV, basé à l'École polytechnique fédérale de Lausanne en Suisse
Alcator CMod aux États-Unis
TdeV au Canada

D'autres pistes d'étude de production d'énergie à partir de la fusion sont étudiées :