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Comme nous le verrons dans ce sujet, le super tokamak d'ITER apportera au final d'autres applications et dans des domaines complétement innatendu, c
250 tokamaks à travers le monde…
Le terme de tokamak est en fait l'acronyme de termes russes, ce sont en effet deux chercheurs russes qui, en 1968, sont parvenus à atteindre des niveaux de température et des temps de confinement du plasma – deux des paramètres essentiels de la fusion – jamais obtenus par le passé.
ITER a largement bénéficié du retour d’expérience d’installations existantes », explique Joëlle Elbez-Uzan, responsable de la sûreté de l’installation à ITER Organization. « Chacune des expérimentations précédentes a résolu, un à un, différents défis rencontrés et ITER va intégrer l'ensemble des technologies mises au point.
Par exemple, la technologie de la supraconductivité des bobines, qui a notamment été testée dans le tokamak français « Tore Supra » situé à Cadarache, en fonctionnement depuis 1988, a permis d'obtenir une intensité de champ magnétique élevée au centre du plasma. Le tokamak anglais JET, inauguré en 1984, et le tokamak américain TFTR, conçu dans les années 1980, ont, pour leur part, été les premiers à réaliser une fusion entre deutérium et tritium.
D'autres tokamaks ont apporté leur pierre à ce projet international : KSTAR en Corée du Sud, qui a produit son premier plasma en 2002, EAST en Chine, qui a produit son premier plasma en 2006, SST-1 en Inde ou encore JT-60, au Japon, qui a notamment apporté des connaissances sur la physique du plasma et la manière de maintenir sa forme et sa stabilité, à l'écart des parois.
Un plasma plus productif qu'énergivore...
« Dans le monde entier, les installations de fusion n'ont cessé de progresser. Le tokamak Tore Supra, du CEA/Cadarache, détient le record de durée d'un plasma avec 6 minutes et 30 secondes », poursuit Joëlle Elbez-Uzan.
« Le JT-60 japonais a atteint la valeur du triple produit de fusion – densité, température, temps de confinement – la plus élevée à ce jour. Aux Etats-Unis, des installations de fusion ont obtenu des températures de plusieurs centaines de millions de degrés Celsius.
Toutes ces prouesses ont permis à la science de la fusion de se rapprocher du « breakeven », qui correspond au moment où, dans une installation de fusion, un plasma libère au moins autant d'énergie qu'il en a reçu pour la produire. Le « breakeven » n'a jamais été atteint à ce jour.
Le record actuel est détenu par le JET , qui est parvenu à restituer sous forme d'énergie 70 % de la puissance qui lui avait été apportée. ITER devrait être le premier, en produisant 500 MW d'énergie pour 50 MW consommés. »
Et ensuite ?
Lorsque l'expérience scientifique ITER aura démontré la faisabilité de cette filière énergétique basée sur la fusion, il est prévu de créer, sur un site non encore déterminé, un prototype de centrale nommé DEMO.
« Dans ITER, l'énergie produite n'est pas récupérée, poursuit Joëlle Elbez-Uzan. Dans DEMO, non seulement nous la récupérerons, mais nous testerons la capacité de ce prototype à s'autoalimenter en tritium. »
Le projet n'en est qu'à l'étude de faisabilité et à l’élaboration des plans. La première pierre ne devrait pas être posée avant 2060. Et la première centrale basée sur ce prototype pourrait voir le jour à la fin du siècle.
Interview - Benjamin Carreras : Combiner extrapolation empirique et modélisation...
Quel est le plus grand défi technique lié au plasma ?
L'un des soucis majeurs concerne ce que l'on appelle les disruptions, c'est-à-dire l'apparition brutale d'instabilités du plasma. Dans les tests initiaux, avant la mise en œuvre d'éléments radioactifs, ITER va devoir acquérir une expérience sur la probabilité de ces disruptions et la manière d'en gérer les conséquences.
Comment prédire ces instabilités ?
Il existe des aspects du plasma à étudier sur ITER, dont nous n'avons pas encore une connaissance totale. Nos connaissances reposent sur des machines plus petites qui ne peuvent pas atteindre les températures auxquelles ITER va travailler. Nous ne disposons pas de bases théoriques suffisantes permettant de prédire ou de calculer les différents aspects de la disruption. Pour en évaluer les conséquences, il existe deux moyens : extrapoler à partir des données empiriques des tokamaks actuels ou modéliser le processus, aussi précisément que possible. Mais les deux approches ont des limites.
Pouvez-vous donner un exemple ?
Un problème important consiste à déterminer le temps le plus court mis par le courant pour s'effondrer durant une perturbation. Plus ce délai sera court, plus les conséquences de la disruption seront importantes. Il est donc primordial d'accroître l’analyse des données existantes et le niveau de modélisation de ces événements, en parvenant à des modèles tridimensionnels par exemple, et en même temps de rassembler autant d'informations que possible durant la première phase d'expérimentation pour tester les extrapolations empiriques déjà réalisées.
Benjamin Carreras est un physicien nucléaire américain, spécialiste de la physique du plasma. Il a travaillé dans le laboratoire de recherche pluridisciplinaire Oak Ridge National Laboratory, dépendant du ministère américain de l'Energie.
Actuellement chercheur au sein de deux institutions espagnoles et professeur de physique à l'Université de Fairbanks (Alaska, Etats-Unis), il est aussi consultant pour l'IRSN sur le projet ITER.
Le nouveau Swiss Plasma Center…
Le nouveau Swiss Plasma Center a été inauguré mardi sur le campus de la haute école lausannoise. Ce centre est en pointe dans la recherche sur les plasmas (soupes de particules chargées), cruciaux pour le projet de réacteur de fusion thermonucléaire ITER, actuellement en construction dans le sud de la France.
Vue extérieure du Tokamak à l'EPFL....
Développé à partir de l’ancien Centre de recherches en physique des plasmas (CRPP), ce dernier a été sélectionné en 2013 par le consortium Eurofusion comme l’une des trois installations du continent directement impliquées dans la mise au point du réacteur ITER, les deux autres se trouvant en Allemagne et en Grande-Bretagne. La Confédération a accordé à ce nouveau centre un soutien de 10 millions de francs pour développer ses activités cruciales, notamment dans cet immense projet mondial visant à révolutionner l’approvisionnement énergétique de la planète, qui ne va cesser de croître.
Rêvé en 1985 par les présidents Mitterrand, Reagan et Gorbatchev, ITER est une machine devant démontrer qu’il est possible de maîtriser la fusion nucléaire, le même processus qui fait briller les étoiles. L’idée est simple, sur le papier: chauffer une «soupe de particules chargées», appelée plasma, à une température de 150 millions de degrés (10 fois plus qu’au cœur du Soleil), dans un milieu confiné, à savoir une chambre métallique en forme de bouée, nommée tokamak.
Dans ce plasma, des atomes d’isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) sont censés fusionner, produisant une formidable quantité d’énergie qui sera d’une part exploitable, de l’autre susceptible d’alimenter le processus pour le rendre continu. Le tout, sans endommager l’instrument lui-même, ce qui est loin d’être une sinécure…
L’avantage de cette source d’énergie est d’être non polluante et de présenter des risques quasi nuls, puisque l’engin ne peut s’emballer, à l’inverse des réacteurs de fission nucléaire.
Pour concrétiser cette idée, sept partenaires – UE, Chine, Etats-Unis, Russie, Inde, Corée du Sud et Japon – construisent à Cadarache (Bouches-du-Rhône) une première version de la machine. Celle-ci doit servir à mettre au point dès 2030 un prototype de réacteur commercial, DEMO.
Aujourd’hui, le chantier français avance à grands pas, avec la pose récente du socle en béton antisismique. Le projet, lancé en 2006, a toutefois connu ces dernières années d’énormes tumultes. Son budget a explosé, passant de 5 milliards d’euros à son début, à plus de 16, au point qu’ont pesé sur ITER des menaces d’abandon.
La date de la mise en service du réacteur, elle aussi, a glissé de 2016 à 2020, au plus tôt. La coordination de sa construction s’avère extrêmement complexe, chaque partenaire contribuant en éléments technologiques plutôt qu’en argent liquide. Un seul exemple: l’enceinte à vide du tokamak est construite entre l’Europe et la Corée du Sud, avec des participations russe et indienne.
Construit en 1992, le tokamak à configuration variable (TCV) de l’EPFL a pour objectif d’étudier les plasmas et les façons idéales de les confiner. Des capacités déterminantes dans le projet ITER. «Nous menons des recherches sur les matériaux des parois internes du tokamak avec lesquelles le plasma peut entrer en contact, un aspect encore mal dominé», explique Ambrogio Fasoli, directeur du Swiss Plasma Center.
«Ce centre est aussi spécialisé dans la qualification des matériaux supraconducteurs servant à fabriquer les aimants qui génèrent les immenses champs magnétiques nécessaires pour confiner le plasma dans la chambre», ajoute Bernard Bigot, directeur d’ITER. La manne de la Confédération permettra d’optimiser divers éléments du tokamak vaudois, de manière à permettre des expériences inédites. «Un saut de qualité qui attirera à Lausanne de nombreux chercheurs européens, mais aussi suisses», se réjouit Ambrogio Fasoli.
Car, au-delà de la fusion, l’objectif du Swiss Plasma Center est aussi d’étudier l’utilisation de plasmas dans d’autres domaines scientifiques, comme en médecine, «pour cicatriser les plaies ou combattre localement des cancers», dit Ambrogio Fasoli. Ou en physique des surfaces, à travers le développement de couches extra-minces. «Plusieurs acteurs industriels sont intéressés. Nous collaborons déjà avec TetraPak sur des solutions de stérilisation d’emballages de lait.» Autre application possible: un «bain de plasma» pour stériliser des graines.
Ca c'est la version "bisounours" du projet, car en 2011 déjà, l'opposition à l'expérimentation de fusion nucléaire ITER, "le soleil terrestre", se focalisait principalement sur les risques environnementaux. Or, des scientifiques de haut niveau, dont des physiciens des plasmas, s'inquiétant sur les failles scientifiques et techniques de cette expérimentation, ont adressé une "lettre ouverte internationale des scientifiques sur le projet thermonucléaire ITER" aux scientifiques d'ITER ORGANIZATION. Cette lettre, pourtant révélatrice des dangers que représentent une telle entreprise, est restée lettre morte...
ITER, s'il fonctionnait un jour, serait un surgénérateur à tritium, isotope radioactif de l'hydrogène de période 12,5 ans, pratiquement impossible à bien confiner car, comme tout gaz léger, il a la manie de diffuser au travers d'à peu près n'importe quelle matière comportant des microfissures, n'importe quel joint etc.
C'est pour cette raison que les centrales atomiques, où il s'en produit par fissions ternaires, ont des autorisations de rejets très élevées, ainsi que les usines de retraitement. Par ailleurs les neutrons de très haute énergie qui véhiculent l'énergie des fusions vont immanquablement produire (outre la surgénération du tritium) une activation massive de toutes les structures du réacteur.
Ces structures seront donc très vite hautement radioactives et présenteront ainsi un risque radiologique considérable, bien plus que celui dû aux réacteurs atomiques de fission, dont le démantèlement pose pourtant des problèmes de radioprotection tels que l'on ne cesse d'en retarder l'exécution (on envisage maintenant d'attendre un siècle après l'arrêt définitif).
Ces quelques défauts passés sous silence concerneraient cependant plutôt la production effective d'énergie de fusion. Ce qu'on peut escompter d'ITER n'est pas de cette dimension, mais bien plus inquiétant à bien des égards.
Le rapport Dautray (2002), du nom de l'ancien directeur scientifique du CEA (plusieurs pointures au dessus de Michel Claessens), pose des questions d'autant plus gênantes qu'elles sont sans réponses, tant théoriques que pratiques, ce qui signifie que ITER fonce dans un certain brouillard conceptuel.
Selon Jean-Pierre Petit :
Tout tourne autour du comportement fondamentalement instable des machines telles qu'ITER, les tokamaks. Leur pilotage expérimental, entaché d'innombrables aléas, relève en fait de l'empirisme le plus complet. On sait depuis le début, les années 50, que le confinement du plasma est foncièrement instable.
Tous les tokamaks ont été plus ou moins gravement endommagés suite au déclenchement de ces instabilités, qui conduisent à des phénomènes de disruption. On entend par là un effondrement de la température du plasma qui passe en un millième de seconde de 100 millions de degrés à quelques dizaines de milliers de degrés.
Passons sur les détails : personne n'est à même d'expliquer le phénomène, de le prédire avec certitude et de le maîtriser. Ce qu'il importe de comprendre relève de connaissances partagées par tout le monde : si l'énergie du plasma s'effondre, c'est qu'elle sort, sous une forme ou une autre. Le transfert se fait selon diverses modalités toutes plus destructrices les unes que les autres : des forces générées par les courants induits atteignent plusieurs centaines de tonnes et tordent les parois et leurs structures comme des fétus de paille.
On observe aussi un jet d'électrons relativistes qui volatilise le matériau de la région touchée. ITER devant contenir mille fois plus d'énergie que ses prédécesseurs, les dommages encourus ne seront plus gérables.
Les coups de foudre, immanquables, atteindront 15 millions d'ampères. À ce niveau de puissance la couche de béryllium de 1 cm d'épaisseur sera volatilisée et dispersera ce matériau hautement toxique et le tritium radiotoxique contenu dans le réacteur.
Les dégâts ne s'arrêteront pas là. Les modules tritigènes, où circule un mélange liquide lithium plomb brefroidi dans des échangeurs à eau seront certainement endommagés, avec un risque élevé de contact lithium-eau conduisant à une combustion strictement impossible à éteindre (le risque maximal des batteries lithium-polymère), entraînant la destruction complète de la machine.
Le phénomène de disruption représentait une gêne mineure dans les « petites » machines réalisées avant ITER. Cela se payait en temps de réparation et par un accroissement du coût de fonctionnement. Mais plus les tokamaks grossissaient et plus les destructions engendrées par ce phénomène s'aggravaient. Avec ITER, c'est la sécurité des employés et des populations alentours qui sera menacée...
L'extrême rapidité de l'accident rendra impossible toute mesure de mise à l'abri. Mais le pire est au delà : la destruction du système d'électro-aimants supraconducteurs : l'énergie magnétique stockée dans ses immenses bobines vaudra 51 GJ, équivalente à l'énergie cinétique du porte-avion Charles De Gaulle, 38 000 tonnes,… lancé à 186 km/h !
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Comme toujours c'est à vous de juger...
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