Fusion nucléaire : plus proche mais loin

1999/03/01 Plazaola, Fernando Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

Les sources d'énergie sont, comme nous le savons tous, fondamentales pour le développement de la société. Dans les années 1970, la crise pétrolière a aggravé la société occidentale et intensifié le développement de nouvelles et anciennes sources d’énergie. Et aujourd'hui, les sources d'énergie et leurs problèmes sont l'une des principales préoccupations de la société. À partir d'une classification large, nous pouvons dire que les sources d'énergie sont de deux types:

• capables de produire de grandes quantités d'énergie: les centrales nucléaires de fission et les combustibles fossiles. Très développés technologiquement, très productifs du point de vue économique, et que nous pouvons considérer comme une source forte d'énergie pour les deux prochains siècles, mais qui peuvent ou sont préjudiciables à l'environnement (Txernobil, déchets radioactifs, pluie acide, effet de serre...)
• énergies alternatives, qui en principe semblent propres, qui n'attaquent pas le milieu (bien que ces derniers temps l'énergie éolienne a suscité le débat), mais qui ne sont pas en mesure de générer l'énorme quantité d'énergie dont la structure de la société actuelle a besoin.

Dans ce débat sur les sources d'énergie, il est mentionné à plusieurs reprises que nous aurons à l'avenir une source d'énergie vierge, basée sur l'énergie émise par les étoiles, infinie et propre. Bien qu'il soit de plus en plus proche, il est toujours loin. Oui, je veux dire l'énergie produite dans la fusion nucléaire. Depuis 1952, nous savons que la planète Terre peut aussi produire cette énergie. Cependant, malheureusement, la démonstration a coïncidé avec l'explosion de l'explosif H, et cette démonstration brutale a apporté avec elle une préoccupation que cette énergie est propre, ou plus propre que les autres énergies du type (i), il n'est pas surprenant que lorsque nous écoutons, nous hésiter. Dans les lignes suivantes, je vais essayer d'analyser ce qu'est la fusion nucléaire et quelles sont les difficultés pour en faire une source d'énergie. Et surtout, je vais expliquer pourquoi la fusion nucléaire est propre à la fission nucléaire.

Lorsque deux noyaux légers, comme l'hydrogène ou ses isotopes – le deutérium et le tritium – convergent, cette réaction nucléaire libère de l'énergie. Si les noyaux sont très lourds, la seule façon de libérer de l'énergie est par la division des noyaux (fission nucléaire). Pour le deuxième processus, c'est-à-dire pour la fission, un seul neutron peut attaquer et produire une fission dans des noyaux lourds comme l'uranium ou le plutonium. Pour la fusion, il faut ajouter deux noyaux qui se repoussent entre eux, c'est-à-dire dépasser la répulsion électrostatique de ces deux noyaux pour qu'ils soient capables d'unifier les noyaux. Comme nous pouvons le constater, le processus de fusion n'est pas simple.

En raison de l'énorme masse des étoiles, leur attraction gravitationnelle leur permet de confiner toute la masse de l'étoile et, grâce à elle, l'union internucléaire émet beaucoup d'énergie vers l'espace. Sur la planète Terre, il est impossible que ce type de confinement gravitationnel se produise, de sorte que le confinement des noyaux doit se faire autrement. En 1952, comme mentionné ci-dessus, ce confinement a été obtenu. Ils ont provoqué l'éclatement de l'explosif nucléaire de fission pour confiner le combustible de fusion et les réactions de fusion provoquées par cette onde d'explosion ont libéré 50 fois plus d'énergie que l'explosif de fission.

L'obtention de réactions de fusion, sous une forme contrôlée ou incontrôlée, n'est pas immédiate. La première étape dans la technologie pour les réactions de fusion qui se développe actuellement est l'obtention de la soupe d'électrons et ions du combustible de fusion, le plasma. Le plasma est la quatrième situation de la matière qui n'est pas présente sur notre planète. Bien qu'il ne soit pas trouvé sur Terre, 99% de la matière de l'univers est en état de plasma. En chauffant un solide, il deviendra liquide et se volatilisera, le rendant plus chaud, à gaz. Si nous continuons à chauffer, en atteignant la température de 11.000 (qui indique que l'énergie cinétique moyenne des particules internes du plasma est de 1 eV), les atomes de gaz commencent à perdre des électrons, devenant une soupe formée par des électrons négatifs et des ions positifs.

Cependant, dans cette situation, il n'y aura pas encore de réaction de fusion, car il y a une force de répulsion entre les ions positifs. Mais si le plasma est plus chaud, ces ions ou noyaux peuvent atteindre une grande vitesse (énergie cinétique), ce qui peut rendre la force répulsive incapable d'empêcher les chocs internucléaires. La température du plasma doit être énorme, avec un minimum de 100 millions de degrés (10 keV). A cette température, vous pouvez commencer à produire des réactions de fusion, mais il ne suffit pas que quelques-uns se produisent, car l'énergie utilisée pour atteindre cette température a été énorme. Le plus pratique est que le nombre de réactions de fusion par unité de temps soit élevé. Par conséquent, pour que la probabilité d'une réaction de fusion soit élevée, la densité du plasma doit également être élevée. Cependant, la réaction de fusion de (1) qui est expérimentée pour les futurs réacteurs, déjà obtenus dans les laboratoires de fusion, n'est pas une condition suffisante pour considérer la fusion comme une nouvelle source d'énergie.

Comme nous le voyons, l'énergie absorbée par la fusion est très grande et, bien sûr, l'énergie obtenue en fusion dans une centrale de fusion doit être beaucoup plus grande que l'énergie consommée. D'autre part, nous savons que tout corps chaud, immergé dans un milieu plus froid, se refroidira rapidement par diffusion ou dispersion atomique. Ce processus peut être très grave dans le cas du plasma. Il faut donc, d'une certaine manière, confiner le plasma pour maintenir le plasma chaud, c'est-à-dire pour que cette dispersion atomique ne se produise pas. Parce que le plasma de fusion doit être si chaud (au-dessus de 100 millions de degrés), le confinement n'est pas possible, comme dans les bouteilles, en utilisant des murs. Ces bouteilles ne peuvent contenir aucun mur physique.

Au lieu de cela on utilise le confinement magnétique, c'est-à-dire le mur est formé par les lignes du champ magnétique. Les lignes de champ doivent confiner des particules chargées (électrons et ions) qui se déplacent rapidement dans le plasma dans une région fermée "donut" jusqu'à obtenir une énergie de fusion profitable. Le problème du confinement n'est pas simple et la technologie utilisée aujourd'hui est le concept TOKAMAS, développé par des scientifiques russes. De cette façon, le temps de confinement est défini, indiquant le temps que le plasma chaud reste chaud sans alimentation énergétique externe.

L'utilisation des réactions de fusion est limitée par trois paramètres : température du plasma, densité et temps de confinement. Le produit de ces trois substances est appelé paramètre de fusion. La valeur du paramètre de fusion est calculée depuis longtemps pour que le réacteur de fusion soit utilisé comme source d'énergie. Lawson a calculé en 1957 que la valeur du paramètre de fusion doit dépasser 5x1021 m-3keVs (critère de Lawson) pour que le rendement du cycle énergétique soit de 35%. Quand on réussit à maintenir le plasma sous le critère de Lawson sans le réchauffer extérieurement, on peut dire que le point d'ignace a été atteint.

Les plasmas actuels sont loin de ce point et l'autre paramètre très important utilisé est celui du gain énergétique, c'est-à-dire la raison entre l'énergie générée par la fusion et l'énergie utilisée pour arriver à la fusion, le soi-disant facteur Q. Quand Q=1 l'énergie produite dans la fusion sera la même que l'énergie produite pour arriver à elle et à ce point on l'appelle "break-even". De toute évidence, pour que le réacteur de fusion soit compétitif sur le marché, il faudrait obtenir Q âme. Et l'un des problèmes pour l'obtenir est que pour produire, chauffer et confiner le plasma est nécessaire une grande utilisation de l'énergie.

Les expériences de cette génération poursuivent une situation autour du "break-even", dont nous pouvons dire qu'ils sont très proches, Q = 0.9 a été dépassé. Il est prévu d'obtenir des plasmas en conditions d'allumage dans les réacteurs de prochaine génération. Pour ce faire, le projet ITER (International Thermonucléaire Experimental Reactor), auquel participent l'Union européenne, la Russie, le Japon et les États-Unis, est en cours. Cette même année, et dans le délai imparti, la conception du réacteur interne a été achevée et l'emplacement de ce réacteur expérimental, qui est le cas en Europe et au Japon, sera immédiatement décidé. J'ai écrit ci-dessus que les participants au projet ITER étaient quatre, mais maintenant ils sont trois, parce que les États-Unis ont abandonné le projet il y a deux mois. Il peut y avoir de nombreuses raisons, mais selon les rumeurs des scientifiques qui y travaillent, la raison est le manque de leadership de la technologie de fusion aux États-Unis et l'impossibilité de localiser le réacteur.

Il faut souligner qu'avec les réacteurs de cette génération les paramètres qui seraient nécessaires pour l'allumage ont été obtenus indépendamment, mais tous ensemble, à la fois, de sorte que l'allumage n'est pas atteint. Des températures de 400 millions de degrés, 1021 particules/m3 et des temps de confinement supérieurs à une seconde ont été atteints. Et l'année 1997 dans le réacteur JET de l'Union européenne, situé à Edimbourg, a atteint une puissance de fusion de 16 MW, la plus grande puissance atteint à ce jour. En outre, il faut mentionner que cette puissance a été obtenue dans un plasma deutérien + tritium et non dans le plasma deutérien + deutérium conçu en JET. Cependant, il est vrai que le plasma de fusion n'a pas encore été obtenu dans des conditions stables. Et nous ne savons pas comment ce type de plasma va agir (c'est la plus grande préoccupation du point de vue scientifique).

Comme cela n'est pas connu, les problèmes d'ingénierie qui généreront le plasma stable ne seront pas petits. Si le développement est maintenu comme prévu, dans le réacteur qui sera construit dans le projet ITER on obtiendra des plasmas de conditions igniciennes, c'est-à-dire stables, et après sa recherche et maîtrise, dans la phase suivante on construira un réacteur pour le test DEMO, qui s'adaptera aux besoins d'une véritable centrale électrique. Le moment d'accrocher le réacteur de fusion au réseau électrique, si les choses vont comme prévu, passera dans 40 ans. Bien que ce délai semble très long, dans les années 1980 il est plus court que prévu. Cependant, il faut garder à l'esprit que ce que l'on veut faire est de "construire une étoile dans le laboratoire", et dans cette perspective, les délais mentionnés sont-ils longs?

Supposons qu'un réacteur de fusion (celui du confinement magnétique) soit possible et obtenu. Voyons quels sont les avantages et les inconvénients des sources énergétiques actuelles. Le principal inconvénient est le coût. L'investissement initial pour les réacteurs de fusion sera énorme (la recherche est également effectuée au niveau international), bien supérieur à celui dont toute source énergétique actuelle a besoin. Cela constituera une énorme barrière pour les centrales actuelles de combustibles fossiles et de fission nucléaire. En outre, on sait que les deux dernières sources d'énergie peuvent produire de l'énergie sans problèmes (technologiques) et à bas coût.

Quant aux avantages, la première est celle du carburant. Le deutérium, très répandu dans la mer et les rivières, est bon marché et n'a aucun danger de s'épuiser. Le deuxième avantage concerne la sécurité des futurs réacteurs de fusion; l'interruption du combustible dans les réactions de fusion empêche la réaction de fusion, en plus que dans les réacteurs de fusion avec confinement magnétique se produit régulièrement le combustible, de sorte que le réacteur de fusion est impossible à échapper des mains, c'est-à-dire contrairement à ce qui se passe dans les centrales de fission (cas de Txernobil), le "décrochage". Par conséquent, le réacteur de fusion ne présente pas de risque d'explosion ou de fusion.

Comme vendu par les défenseurs de la fusion, le nettoyage est un autre avantage évident. Les centrales nucléaires de fission et les centrales à combustibles fossiles peuvent endommager le milieu pendant des siècles. On se souvient des événements survenus dans les centrales nucléaires de la fission de Tchernobyl et Harrisburg, les déchets radioactifs (un sujet qui est aujourd'hui en plein essor, que faire avec eux ? ), effet de serre, pluie acide... Les réacteurs de fusion, quant à eux, considèrent qu'ils ne peuvent pas causer de tels dommages. Je vais brièvement analyser ce que cela signifie dans les lignes suivantes, en les comparant aux réactions de fission.

Les réactions nucléaires de fission produisent plus de 200 radio-isotopes. Beaucoup ont, en outre, des milliers d'années de vie. Par exemple, un isotope de plutonium assez connu a une vie moyenne de 24.000 ans (et n'est pas le plus long). Compte tenu de la quantité élevée de radio-isotopes générés dans la réaction de fission, leur traitement et leur utilisation est très difficile, pratiquement impossible. Pour cette raison, le prix Nobel italien Carlo Rubbia vient de proposer que le thorium soit flié avec un accélérateur pour que le nombre de types de déchets nucléaires soit beaucoup plus petit et plus facile à traiter. Dans le cas de la fusion nucléaire, les seules particules produites selon l'équation (1) sont les particules alpha (atomes d'hélium) et les neutrons à haute énergie. L'hélium, appelé poudre de fusion, est l'un des atomes stables les plus répandus de l'univers.

Les particules alpha ont une grande importance dans le maintien du plasma chaud et étant ionisées (comme les particules alpha) encadrent des champs magnétiques. Des neutrons (1) sont également formés en réaction, qui peuvent s'échapper de la région de confinement en heurtant la riche couche qui délimite le plasma. La riche couche délimite la région de confinement et est construite avec du lithium ou des composés au lithium. La riche couche a deux fonctions : i) que les neutrons heurtent les atomes de lithium en créant du tritium, du combustible pour le plasma, et ii) qu'il absorbe la grande énergie cinétique des neutrons générés, pour les convertir en énergie électrique. Par conséquent, dans le réacteur de fusion la radioactivité ne se trouve pas dans la réaction de fusion (pas de résidus), mais dans les transmutations produites par le choc des neutrons avec des matériaux du milieu.

Les conséquences des transmutations sont de deux types: 1) bénéfiques pour le processus de réaction de fusion, générant du tritium et 2) nuisibles de tous les points de vue. Ce dernier dépend des matériaux utilisés dans la structure du confinement magnétique. En utilisant des matériaux appropriés à faible activité nucléaire, l'activité générée par les neutrons dans ces matériaux peut être réduite jusqu'à 10 millions de fois lors de l'arrêt du réacteur sans générer de résidus de longue durée. Ces déchets seraient à l'intérieur de la centrale sans possibilité d'échapper à l'extérieur.

Cependant, il ne faut pas oublier que même si les matériaux sélectionnés sont appropriés, ils présentent des impuretés qui peuvent conduire à des déchets de longue durée. Par ailleurs, le tritium est un isotope radioactif de 12,3 ans de vie moyenne, un simple émetteur de particules bêta, dont l'énergie moyenne d'émission d'électrons est de 5,7 KeV. Comme le tritium est gaz, dans un grave accident, il peut échapper à l'enchaînement magnétique. Les prévisions du degré de radioactivité que pourrait subir la population dans l'environnement des centrales, même dans l'accident le plus grave qui pourrait se produire, et les fuites de tritium d'un futur réacteur de fusion, indiquent que, dans le pire des cas, le niveau de radioactivité principal se situerait à 1 km de la centrale.

En associant les réacteurs de fusion au réseau électrique, s'ils sont associés à un moment donné, on peut dire qu'une source inépuisable d'énergie sera obtenue avec tout ce que cela suppose. Ils seront beaucoup plus propres que les centrales à combustibles fossiles et à fission nucléaire. Ils ne seront pas capables de causer des dommages des siècles, mais ils n'auront pas non plus la pureté vierge. Cependant, contrairement à d'autres centrales, où les effets indésirables sont intrinsèques au processus, les réacteurs de fusion peuvent améliorer le degré de nettoyage.

Route américaine

Le programme de fusion décrit dans l'article, correspondant au projet ITER, n'est pas le seul à réaliser la fusion. Une autre voie est celle du confinement inertiel, qui se développe en particulier aux Etats-Unis et qui a peu de développement en Europe, puisque pour le confinement inertiel il faut des lasers de puissance, qui étant des technologies secrètes (derrière lesquelles il y a intérêt militaire), ne sont pas publiés, de sorte que la recherche qui est menée est gardé secret.

Aux États-Unis, ce type de recherche est en cours au Laboratoire Lawrence Livermoore, laboratoire de plusieurs secrets militaires, et on sait que 60 lasers de haute puissance travaillent dans le but d'obtenir la fusion et que pour 2003 200 lasers de puissance seront construits.

Dans ce cas, contrairement au confinement magnétique, les temps de confinement doivent être très courts, autour d'une nanoseconde. Par conséquent, selon le critère de Lawson, les plasmas doivent être très denses pour pouvoir bénéficier de ces réacteurs. Le concept physique de fusion est également facile à comprendre dans ce cas, car à une balle d'environ millimètres de diamètre portant du combustible à l'intérieur, les lasers de puissance attaquent de la manière la plus homogène possible en réduisant le rayon de la balle pour que se produise la fusion entre les noyaux. Cependant, contrairement au confinement magnétique, dans le cas du confinement inertiel on ne sait pas à quel point la voie de fusion a été brisée, à quelle valeur le paramètre de fusion est-il trouvé ?, Êtes-vous "break-even" près ou loin ? Les chercheurs ne répondent pas à ces questions, car la recherche est effectuée secrètement.