Une vue du tokamak JT-60SA. © CEA

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Fusion nucléaire : le CEA et le Japon préparent l'après-Iter

ActualitéClassé sous :physique , Iter , fusion nucléaire

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La construction d'Iter n'est pas encore terminée mais l'urgence de remplacer les énergies fossiles par des sources d'énergie concentrées est telle que son successeur, Demo, est déjà à l'étude. Le CEA et le Japon travaillent ensemble sur ce vrai prototype de réacteur industriel pour la production d'électricité. Éléments clés, les puissants aimants posent des contraintes énormes. Après des essais réussis, ils sont partis au Japon.

L' Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA), une organisation internationale sous l'égide de l'ONU, comme le Giec, a rappelé l'année dernière que la Chine est en train de développer la production d'énergie nucléaire à un rythme record malgré ses efforts eux aussi considérables pour développer l'énergie solaire. Cela ne surprendra pas ceux qui savent, comme l'a expliqué notamment le regretté physicien et mathématicien David Mackay sur TEDx et dans un livre grand public en accès libre (L’énergie durable — Pas que du vent !), que l'humanité ne pourra pas relever les défis du XXIe siècle sans une combinaison des énergies renouvelables et nucléaires.

Les réacteurs à fission ont des limites et l'idéal serait sans aucun doute de les remplacer dans la seconde moitié de ce siècle par des réacteurs à fusion contrôlée. La Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l'Inde, le Japon, la Russie et l'Union européenne en sont conscients et c'est pourquoi ces pays ont lancé le programme Iter (acronyme de l'anglais International Thermonuclear Experimental Reactor, ce qui signifie Réacteur thermonucléaire expérimental international). Rappelons qu'il ne s'agit pas de réaliser un prototype de réacteur industriel pour la production d'électricité, mais de donner une preuve de principe qu'un tel réacteur est possible. Ce rôle opérationnel sera celui de Demo (de l'anglais DEMOnstration Power Plant), la machine qui devra succéder à Iter.

Le principe de fonctionnement des réacteurs Iter et Demo est celui de la fusion magnétique dans un tokamak et il est expliqué dans cette vidéo. © CEA, DRF

Demo et l’« approche élargie » d’Iter

Contrairement à Iter, Demo devra fabriquer une partie de son carburant thermonucléaire comme sous-produit de son fonctionnement. En l'occurrence, il s'agit d'un isotope de l'hydrogène, le tritium radioactif, dont il n'existe pas de sources naturelles sur Terre. La fusion sera effectuée entre ce tritium et le deutérium (extrait de l'eau de mer). Le flux des neutrons engendré devrait à son tour produire des noyaux de tritium, par exemple à partir d'une couverture en lithium de l'intérieur du réacteur de Demo.

Or, le temps presse, car comme l'expliquent depuis quelque temps Jean-Marc Jancovici en France ainsi que le climatologue James Hansen et Michael Shellenberger aux États-Unis, il nous faut diminuer fortement au plus vite l'usage des énergies fossiles pour limiter les conséquences dramatiques du réchauffement climatique. Changer de mode de consommation ne suffira pas sans l'énergie nucléaire, qu'elle soit basée sur la fission dans un premier temps puis sur la fusion. C'est pourquoi on travaille déjà sur Demo dans le cadre de ce qui a été appelé l'« approche élargie » d'Iter.

Le CEA est depuis longtemps impliqué dans cette voie. Dans le projet Iter, il l'est par exemple avec le tokamak doté d'aimants supraconducteurs Tore Supra réalisé et opéré à Cadarache par l'Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique Contrôlée, CEA-IRFM. Cet instrument permet la poursuite du projet West, dont Futura avait déjà parlé il y a quelques années.

À la base de l'accord de l'« approche élargie » d'Iter signé en 2007 entre l'Europe et le Japon il y a eu la négociation finale entre les partenaires du projet sur le lieu de la construction d'Iter. Le Japon a accepté qu'il soit construit en France en échange d'une aide de l'Europe pour préparer Demo.

Sur la route qui conduit à l'exploitation industrielle et commerciale de l'énergie de fusion, Iter qui signifie également « chemin » en latin, est une étape essentielle et indispensable. C'est la réponse qu'apportent 34 nations au formidable défi que l'humanité doit relever : produire, de la manière la plus propre et la plus sûre, l'énergie qui répondra aux besoins des générations futures. © iterorganization

JT-60SA, un tokamak pour préparer Demo

La recherche sur la fusion magnétique contrôlée ne s'est pas figée au moment où la construction d'Iter a été lancée. De nouveaux modes de confinement du plasma ont été envisagés pour produire davantage d'énergie qu'Iter. Le Japon veut les étudier de plus près en gardant Demo à l'esprit. C'est pourquoi le projet prévoit d'upgrader JT-60U (Japan Torus-60 Upgrade), le tokamak japonais qui est l'équivalent du mythique JET (acronyme de l'anglais Joint European Torus, littéralement Tore commun européen).

JT-60SA (pour Super Advanced) sera équipé de 18 bobines en forme de D constituant des aimants supraconducteurs en niobium-titane refroidis avec de l'hélium liquide supercritique à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. Quand il sera opérationnel à l'horizon 2020, il sera le plus grand tokamak doté de ces aimants en fonctionnement, en attendant Iter qui le détrônera.

Cette technologie avec des aimants supraconducteurs en niobium-titane est très similaire à celle utilisée pour les aimants du LHC, elle-même dérivée en partie du projet Tore Supra. Elle permet d'atteindre de forts champs magnétiques du fait de l'annulation de la résistance au passage du courant, sans quoi l'effet Joule produit ferait fondre ces aimants. D'infimes surchauffes peuvent toutefois s'y manifester, rendant localement les aimants à nouveau résistifs. Il se produit alors un « quench » ou, en français, une transition résistive locale. Ce qui provoque bien sûr un échauffement par effet Joule plus important de l'aimant et de l'hélium liquide, lequel va se vaporiser, ce qui ne va rien arranger. On sait gérer ce genre de problème en s'arrangeant pour que l'énergie stockée dans les aimants soit dissipée dans une résistance externe. Cela permet de minimiser l'augmentation de température et les contraintes mécaniques qui pourraient apparaître.

Mise en image des tests cryogéniques et de la mise en place de structures mécaniques sur des aimants supraconducteurs destinés au futur tokamak japonais JT-60SA. © F. Rhodes, CEA

L'Europe a fourni vingt aimants supraconducteurs par sécurité pour le JT-60SA. Dix ont été fabriquées sous la responsabilité du CEA par GE Power à Belfort en France et les autres en Italie. Mais tous devaient faire l'objet de contrôles afin de vérifier que les marges de stabilité évitant les transitions résistives sont bien celles demandées par le cahier des charges. Là encore, l'expertise du CEA a été mobilisée. Les aimants ont donc patiemment été mis en situation de transition résistive dans la station d'essai cryogénique située sur le centre de recherches du CEA à Saclay (Essonne), dont le dernier en janvier 2018.

De manière générale, la technologie liée à la cryogénie à très basses températures est capitale pour le succès de bien des entreprises, aussi bien en ingénierie qu'en science fondamentale (LHC, NeuroSpin). Et c'est pour cette raison, là aussi, que le CEA est partie prenante de l'usine cryogénique destinée à refroidir les aimants du JT-60SA, via l'Institut nanosciences et cryogénie (CEA Inac) situé à Grenoble.

Les équipes du CEA-Irfu sont aussi intervenus au niveau des structures mécaniques associés aux aimants car il est capital qu'ils gardent leur forme pour assurer des configurations de champs magnétiques bien précises. En effet, des aimants parcourus par des courants vont vouloir se déformer sous l'action de ces champs, ce qui n'est pas donc acceptable.

Après plus de dix années d'effort, la saga de ces aimants vient donc de s'achever en ce début d'année 2018. Du moins en Europe, car elle va continuer au Japon où ces aimants sont transportés.

Une photo des cavités à radiofréquences de l'accélérateur linéaire à Rokkasho au Japon destiné à produire des flux de neutrons en bombardant une cible de lithium liquide avec des noyaux de deutérium. Les neutrons produits par les collisions entre ces noyaux seront ensuite dirigés vers les matériaux à étudier. © 2018, ITER Organization

Un verrou à faire sauter pour la fusion : les flux de neutrons

Ce n'est pas la fin non plus de la contribution du CEA à l'« approche élargie » d'Iter car elle continue avec un projet de recherche implanté au Japon, l'Ifmif/Eveda (International Fusion Materials Irradiation FacilityEngineering Validation and Engineering Design Activities). Son but est de faire sauter un redoutable verrou technologique, si redoutable que sa solution a été envisagée avec scepticisme par deux prix Nobel de physique, rien de moins que Pierre-Gilles de Gennes et Masatoshi Koshiba.

On ne sait pas encore quel matériau sera capable de supporter suffisamment longtemps le flux de neutrons produit par la fusion du deutérium et du tritium. Il faudra peut-être en concevoir de nouveaux, par exemple à l'aide de simulations numériques sur supercalculateur. En tout état de cause, des expériences seront nécessaires et le CEA est également impliqué dans la construction d'un accélérateur de particules à Rokkasho au Japon, le LIPAC, (Linear IFMIF Prototype Accelerator), qui permettra de produire des flux de neutrons pour tester les matériaux qui seront utilisés pour assurer le fonctionnement de Demo.

  • Le réacteur Iter ne servira qu'à démontrer qu'il est possible de produire de l'énergie grâce à la fusion thermonucléaire. Devra lui succéder Demo (pour Demonstration power plant), le premier véritable prototype de réacteur pour la commercialisation d'électricité, prévue à l'horizon 2050.
  • L'étude de sa conception a déjà commencé, en particulier en France et au Japon, au moyen d'un nouveau tokamak supraconducteur, JT-60SA, dont les aimants ont été fabriqués en Europe et ont été testés au CEA.
  • Ces travaux sont menés dans le cadre de l'approche élargie d'Iter. Elle étudiera aussi le problème des matériaux qui devront résister au flux de neutrons dans le réacteur Demo.
Pour en savoir plus

L'UE et le Japon concluent un accord de recherche sur l'énergie de fusion

Article de CORDIS Nouvelles publié le 27/11/2006

Les représentants de l'UE et du Japon ont signé le 22 novembre un accord sur trois grands projets de recherche qui seront réalisés au Japon, officialisant ainsi leur « approche élargie » de la technologie de la fusion nucléaire.

L'accord instaure un partenariat privilégié entre l'UE et le Japon et complétera le projet ITER, le réacteur thermonucléaire expérimental international. D'une durée de 10 ans, il sera financé par l'UE à hauteur de 340 millions d'euros.

« Cet accord est le résultat de discussions techniques et politiques approfondies entre l'UE et le Japon », a déclaré Janez Potocnik, commissaire européen en charge de la science et de la recherche. « Cette approche élargie, qui sera appliquée parallèlement à ITER, permettra de regrouper les points forts de la recherche et les intérêts, de façon à exploiter au mieux nos investissements de R & D pour faire de l'énergie de fusion une réalité ».

L'accord a été paraphé par M. Potocnik et le vice-ministre japonais de l'éducation, de la culture, des sports, de la science et de la technologie.

L'approche élargie garantit au Japon certains avantages dans le cadre d'ITER et de ses activités connexes. Malgré le désir du Japon d'héberger le réacteur ITER, le choix s'est finalement porté sur un site à Cadarache (France).

Le premier projet concerne la conception technique détaillée du Centre international d'irradiation des matériaux de fusion (IFMIF). Ce centre permettra de tester des matériaux avancés dans un environnement similaire à celui de la future centrale à fusion. La fusion exige des matériaux qui conservent leurs propriétés physiques et cessent d'être radioactifs après avoir été exposés à des températures et des rayonnements à l'intérieur d'un réacteur à fusion.

Le deuxième projet est le programme « satellite » nippo-européen Tokamak. Lors de la construction d'ITER, de grandes installations expérimentales seront requises pour tester des scénarios d'exploitation et traiter des questions physiques essentielles. Le tokamak japonais JT-60U a été identifié comme un dispositif permettant d'atteindre ces objectifs. Dans un premier temps, il nécessitera une mise à niveau pour devenir un tokamak à supraconduction avancée. Il sera ensuite utilisé comme installation «satellite» d'ITER.

Le troisième et dernier projet couvert par l'accord est le Centre international de recherche sur l'énergie de fusion. Ce centre aura pour mission de coordonner les activités de recherche, de simulation et d'expérimentation. Il facilitera en outre une large participation des scientifiques aux expériences ITER.

La signature finale de l'accord sur une approche élargie est prévue pour le début de l'année 2007.

L'accord intervient au lendemain de la signature du traité ITER et le même jour qu'un accord entre l'UE et la République de Corée sur une coopération plus étroite dans le domaine de la recherche sur la fusion.

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