La fusion nucléaire comme source d’énergie pour le futur

Traduit de "ENERGY FOR FUTURE CENTURIES: Will fusion be an inexhaustible, safe and clean energy source?" de J.P.H.E. Ongena et G. Van Oost, Transactions of Fusion Technology (1998)

1- Introduction

Le développement de la fusion nucléaire comme source d’énergie est l’une des taches scientifiques et techniques les plus complexes entreprise à des fins non militaire et se poursuivra encore pendant plusieurs générations. Il existe présentement deux approches pour réaliser la fusion nucléaire sur terre : la fusion par confinement inertiel et par confinement magnétique. Le confinement inertiel consiste en de micro-explosions de petites pastilles provoquées par le bombardement par de puissants lasers ou faisceaux de particules. Le confinement du carburant est basée sur l’inertie de la masse du carburant de la pastille qui résiste en quelque sorte à l’expansion causée par le chauffage rapide à des températures thermonucléaires.

Le confinement magnétique utilise, comme son nom l’indique, des champs magnétiques pour confiner le carburant. Un grand progrès a été réalisé en confinement magnétique. Trois générations de tokamaks avec un dédoublement des dimensions caractéristiques à chaque étape a conduit à une valeur 10,000 fois plus élevée du triple produit de fusion (densité multipliée par la température multipliée par le temps de confinement) au cours des derniers 30 ans. Depuis le début de la recherche sur la fusion contrôlée, le triple produit de fusion a augmenté par un facteur de 10 million pour s’approcher des conditions de réacteurs, tel qu’illustré à la figure ?.

Depuis 1991, plusieurs mégawatts de puissance de fusion ont été produits de manière contrôlée dans des expériences au deutérium-tritium dans JET (Joint European Torus, Culham, Royaume-Uni) et TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor, Princeton, Etats-Unis). Des valeurs crête de 13 MW approximativement ont été obtenues récemment sur JET correspondant à des valeurs de QDT (le rapport de la puissance libérée par les réactions de fusion entre le deutérium et le tritium à la puissance nécessaire pour chauffer le carburant) de plus de 0.6 stationnaire et de 0.9 transitoire, et des puissances de fusion de plus de 4 MW ont été obtenues de façon stationnaire pour plus de 5 s sur JET (Nov ’97). Le breakeven  est très proche et prévu dans JET dans les prochaines années.

Des filières alternatives non-tokamak du confinement magnétique (stellerator, « reversed field pinches ») pourraient offrir des avantages. Cependant, ces filières sont deux générations derrière la filière tokamak.

2- Les processus de fusion nucléaire et les futurs réacteurs à fusion

La réaction de fusion la plus facile à produire sur terre est celle entre les isotopes D et T de l’hydrogène:

D + T à 4He (3.5MeV) + n (14.1MeV)

dans laquelle D représente le deutérium (l’isotope stable de l’hydrogène avec un noyau constitué d’un proton et d’un neutron) et T le tritium ( l’isotope radioactif de l’hydrogène avec un noyau constitué de 2 neutrons et 1 proton). Pour produire des réactions en quantité suffisante, la température du plasma doit être de l’ordre de 100 à 200 million 0C.

Une première génération de futurs réacteurs à fusion serait basée sur cette réaction. Les produits de réaction sont donc une particule a (noyau d’hélium) et un neutron très énergétique. Vingt pour-cent de l’énergie est prise par les particules a qui sont confinées à cause de leur charge et qui donnent ainsi leur énergie au plasma. De cette façon elles compensent les pertes et peuvent rendre la réaction autosuffisante, cette condition est appelée ignition. L’énergie cinétique des neutrons rapides sera convertie en chaleur dans une couverture et par la suite en électricité par des technologies conventionnelles. Un dernier circuit thermique chauffe de l’eau qui, transformée en vapeur, actionne une turbine qui à son tour meut une génératrice qui produit l’électricité. Une réaction de fusion libère près de un million de fois plus d’énergie qu’une réaction chimique (des MeV et non des eV). Voilà pourquoi si peu de carburant peut produire autant d’énergie: lorsque brûlé dans un réacteur à fusion, le deutérium contenu dans un litre d’eau ( approximativement 33 mg) produira autant d’énergie que la combustion de 260 l d’essence.

La réaction D-T n’est pas la seule possibilité pour la fusion contrôlée. D’autres réactions candidates sont:

D + D à 3He (0.82Mev) + n (2.45MeV)

D + D à T (1.01MeV) + H (3.02MeV)

D + 3He à 4He (3.6MeV) + H (14MeV)

 

Celles-ci sont plus difficiles à provoquées et ont une densité de puissance beaucoup plus basse que celle de la réaction D-T [5] mais ont des effets environnementaux encore moins prononcés. La réaction D-D éliminerait le besoin de tritium et produirait des neutrons de plus faible énergie qui sont par conséquent plus facile à absorber et à contrôler. Un réacteur basé dur la réaction D-3He serait caractérisé par un taux faible de production de neutrons (des neutrons seraient produits par la réaction concurrente D-D mais beaucoup moins fréquente) et par conséquent une activation beaucoup réduite des structures du réacteur. Cette réaction libère aussi la totalité de son énergie sous la forme de particules chargées rendant donc possible, en principe, la conversion directe de l’énergie en électricité. Cependant, les perspectives pour ces combustibles "avancés" sont encore trop spéculative et seulement la réaction D-T est considérée.

3- Source inépuisable d’énergie?

L’avantage le plus évident de la fusion est la quantité quasi inépuisable des carburants qui sont de coûts modestes et facilement accessible. Le tableau ci-dessous résume l’estimé des réserves actuelles.

Carburant

Contenu énergétique

( en TWan)

Durée au taux de 1995

(app. 3 TW)

Deutérium

5 x 1011

150 milliards d’années

Lithium (réserves connues)

9 x 103

3000 ans

Lithium (eau de mer)

1.7 x 108

60 million d’années

 

Le deutérium, un isotope non radioactif de l’hydrogène, est excessivement abondant du à son extraction de l’eau (approximativement 33 g dans 1 tonne) en utilisant des méthodes peu coûteuses de la technologie conventionnelle. La combustion complète des deutérons et la première génération des produits de fusion ( T et 3He) donne l’équation globale:

6D à 2 4He + 2 H + 2 n + 43.3 MeV

produisant 350 x 1015 J par tonne de deutérium. Le contenu en deutérium dans les océans est estimé à 4.6 x 1013 tonnes [1] donc équivalent à approximativement 5 x 1011 TWan.

Le tritium est l’isotope radioactif de l’hydrogène. Il se décompose en 3He par l’émission d’un électron:

T à 3He + e- + 18.7 keV

Avec une demi vie relativement courte de 12.3 ans. La quantité disponible dans la nature n’est pas suffisante pour des applications techniques. Les neutrons produits par la réaction de fusion seront utilisés pour le générer du tritium en bombardant une couverture autour de la chambre de combustion contenant du lithium selon les réactions:

6Li + n à 4He (2.05 MeV) + T (2.73MeV)

7Li + n à 4He + T + n – 2.47 MeV

Les vrais consommables dans le procédé de fusion D-T sont donc le deutérium et le lithium, avec le tritium comme carburant intermédiaire.

Le lithium, comme le deutérium, est un élément très répandu. Il y a deux isotopes, 6Li et 7Li, qui existent naturellement ( 7.5% et 92.5%). Le 6Li est le plus utile parcequ’il réagit avec des neutrons de basse énergie ( E < 1MeV). Des calculs [2]démontrent que la combustion du 7Li dans un réacteur à fusion serait négligeable et que par conséquent seul le 6Li est la ressource pertinente. Un atome de T est produit par atome de 6Li accompagné d’une énergie de 4.78 MeV. En incluant l’énergie libérée par les réactions de fusion, 22.38 MeV est libéré par chaque atome de 6Li. Le contenu énergétique du lithium naturel est donc, dans ce contexte, de 27 1015 J/tonne les réserves estimées de lithium naturel sont de 11 million de tonnes dans des dépôts dans le sol et 200 milliard de tonnes dissous dans l’eau de mer [1], équivalent à 9 103 et 1.7 108 TWan. La quantité d’énergie nécessaire pour générer le lithium est négligeable par rapport à l’énergie libérée par les réactions thermonucléaires.

Puisqu’un seul neutron est produit dans chaque réaction de fusion et que chaque nouvel atome de tritium requiert un neutron, il est nécessaire de fournir une source additionnelle de neutrons pour balancer les pertes de neutrons dans la couverture. Un multiplicateur possible de neutrons est le béryllium en utilisant la réaction:

9Be + n à 24He + 2n – 1.57 MeV

Une autre question reliée à l’inépuisabilité est celle de la disponibilité des matériaux requis ( par exemple les matériaux de structure ou encore les matériaux supraconducteurs pour les bobines) pour une utilisation à grande échelle et pendant plusieurs siècle de la fusion. Dans ce cas aussi il ne semble pas y avoir de contraintes significatives [2].

4- Sécurité

Sécurité inhérente et passive.

Est-ce qu’un accident du type Chernobyl est possible?

Premièrement, la quantité de carburant disponible à chaque instant n’est suffisant que pour quelques dizaines de secondes, contrairement à la fission ou le carburant nécessaire au fonctionnement du réacteur pour plusieurs années est emmagasiné dans celui-ci. Deuxièmement, les réactions de fusion se produisent à très haute température et ne sont bas basées sur une réaction en chaîne. Avec toute erreur de manipulation ou fausse manœuvre, les réactions s’arrêtent. Une combustion incontrôlée ( emballement nucléaire) du carburant de fusion est donc exclue sur la base même de la physique. Même dans le cas d'une perte totale de refroidissement, le chauffage résiduel n’est pas suffisant pour provoquer la fusion de la structure du réacteur [2].

Radioactivité

Les carburants de base (D et Li) de même que le produit direct (He) des réactions de fusion ne sont pas radioactifs. Cependant, un réacteur de fusion nécessitera un écran du à un inventaire radioactif composé de (i) tritium ou déchets contaminés de tritium et de (ii) matériaux qui auront été activés par les neutrons des réaction de fusion. Des études [18-20] indiquent cependant que le choix adéquat des matériaux peu minimiser la radioactivité induite par activation et que le recyclage des matériaux devient possible après une période de quelques décennies à un siècle. La radioactivité n’est donc pas inhérente à la fusion nucléaire, contrairement à la fission nucléaire ou la réaction elle même mène à la production d’éléments radioactifs de longue durée.

Le cycle du tritium est fermé et l’inventaire de tritium dans la centrale de fusion sera de l’ordre de quelques kilogrammes, desquels seulement 200 grammes approximativement pourraient être libérés accidentellement. Des barrières contre la perméation devront être utilisées pour empêcher l’émission du tritium dans l’environnement par diffusion dans les matériaux à haute température [2]. Comme le tritium a le même comportement chimique que l’hydrogène, il peut le remplacer dans l’eau et dans toute sorte d’hydrocarbures. Il pourrait donc contaminé la chaîne alimentaire si libéré dans l’atmosphère. La consommation d’aliments et d’eau contaminés par le tritium est un danger. Cependant, les dommages sont réduits du à la demi vie biologique réduite de 10 jours du tritium.

Liens avec l’armement nucléaire

L’opération de réacteurs purement de fusion (i.e. non hybrides) n’est pas accompagné par la production de matériaux fissiles requis pour la fabrication d’armes nucléaires. Seule une modification importante au réacteur, l’introduction d’une couverture spéciale contenant des matériaux fertiles, rendrait la production de matériaux fissiles possible. Cependant, selon certains experts [6], la présence d’une telle section, dans un environnement ou nulle devrait être présente, serait facilement découverte par des inspecteurs qualifiés. Ceci est en contraste évident avec la fission ou des matériaux fissiles sont produits dans le cœur même du réacteur et ou une comptabilité précise doit être effectuée des larges inventaires des matériaux nucléaires rentrant et sortant de la centrale pour démasquer toute diversion de matériaux fissiles.

Autres risques non nucléaires

Les concepteurs de réacteurs devront minimiser les risques non nucléaires tels les incendies de lithium, l’émission de toxines tel le Be, la perte soudaine du vide ou de fluides de refroidissement, etc. Mais aucune de ces craintes ne semblent suffisamment sérieuses pour mériter une place importante dans les discussions sociales sur l’attrait de la fusion comparée aux autres systèmes de production d’énergie.

5- Aspects environnementaux

Pollution de l’environnement?

Les carburants primaires (D et Li) et le produit direct de leur réaction (He) ne sont pas radioactifs, ne polluent pas l’atmosphère et ne contribuent pas à l’effet de serre ou à la destruction de la couche d’ozone. De plus, l’hélium est chimiquement inerte et très utile dans l’industrie. Il n’y a pas de problèmes suite à la production minière du lithium ou du transport de carburants. De plus, ils n’existent aucuns des problèmes écologiques, géophysique ou d’utilisation du territoire comme ceux associés à la production d’énergie à partir de la biomasse, de l’hydroélectricité et de l’énergie solaire.

Des mesures de confinement du tritium et de détritiation de substances contaminées par le tritium devront être prises. Durant l’opération normale, la dose à laquelle sera exposée la population avoisinant le réacteur sera une fraction de la dose due à la radioactivité naturelle.

Déchets dangereux?

Un avantage important de la fusion est l’absence de produits radioactifs directs de réactions, en contraste avec la fission ou les déchets radioactifs sont inévitables puisque les produits des réactions qui libèrent l’énergie sont radioactifs.

Le traitement adéquat des déchets radioactifs est spécialement difficile si les produits sont volatiles, corrosifs ou de longue durée. Les matériaux de structure activés par les neutrons ne posent pas de tels problèmes. Ils ne nécessiteront pas de refroidissement actif durant le démantèlement, le transport ou le stockage à cause de leur haut point de fusion leur taux faible de désintégration. Des études récentes [2] montrent qu’au cours de leur vie, des réacteurs de fusion généreraient, de par le remplacement de composantes et le démantèlement, transport ou stockage, des quantités de matériaux radioactifs similaires à ceux générés par les réacteurs à fission. Ces matériaux seraient cependant différents dans la mesure ou la radiotoxicité de longue durée serait considérablement plus faible.

La fusion pourrait être encore plus attrayante en utilisant des matériaux structurels avancés à faible taux d’activation tels les alliages de vanadium ou les carbures de silicium. Ces matériaux offre en principe la possibilité de recyclage après une centaine d’année après la fermeture du réacteur du au fait que la radioactivité qui serait tombée à un niveau comparable à celui des cendres de centrales alimentées au charbon (ces cendres contiennent toujours de petites quantités de thorium ou autres actinides). Il n’est pas clair pour le moment si ces matériaux avancés rencontreront les spécifications techniques en terme de propriétés thermomécaniques et de résistance aux flux important de neutrons. Plus de recherche est nécessaire pour clarifier ces points [7]. Mais même si des matériaux de structure tel l’acier sont utilisés, la radioactivité induite dans un réacteur à fusion serait approximativement 10 fois inférieure à celle d’un réacteur à fission de puissance comparable [15,20].

6- Aspects économiques

Il est évidemment difficile d’estimer avec la moindre précision le coût d’un système qui ne rentrera en service que dans plusieurs décennies. Dans la comparaison avec d’autres sources d’énergie, les avantages du point de vue de l’environnement et de la sécurité de même que la virtuelle inépuisabilité des carburants et l’évolution des coûts de l’électricité générer à partir de ressources finies devrons être tenus en compte. Des études récentes, avec inévitablement beaucoup d’incertitudes, produisent des estimés de coûts comparables aux centrales actuelles. Les coûts d’investissements ( la chambre du réacteur, la couverture, bobines, pourcentage de puissance recirculée…) seront plus élevés mais les carburants sont peu coûteux et abondants. La fusion sera vraisemblablement une source centralisée d’énergie. Sur la base des connaissances actuelles, des centrales technologiquement sophistiquées auront probablement une capacité d’au moins 1 GWe pour être économique. Les neutrons rapides produits par la réaction D-T pourraient être utilisés pour produire de matériaux fissiles dans des centrales hybrides [5]. Ce rôle complémentaire pour la fusion améliorerait le rendement économique du système hybride comparé à un système purement de fusion. Cependant, cette vocation augmenterait les craintes de la société vis-à-vis la sécurité, l’environnent et l’armement.

7- Conclusions

Au sens le plus profond, la qualité de la vie de l’humanité dépend d’une réponse acceptable à la demande toujours croissante d’énergie. Pour satisfaire nos besoins énergétiques futurs, nous devons considérer toutes les options.

La fusion est une de ces options et est caractérisée par des propriétés exclusives dont quelques unes d’entre elles représentent des avantages distincts sur les autres sources majeures d’énergie. Elles peuvent être groupées autour de trois aspects:

Carburant : réserves abondantes de carburants peu coûteux (D et Li); ils ne sont pas radioactifs et leur production n’engendre pas de problèmes écologiques.

Sécurité : les réacteurs à fusion offrent une sécurité passive inhérente. Ils ne sont pas basés sur une réaction en chaîne et ne contiennent pas une quantité importante de carburant. Un emballement du type Chernobyl est tout à fait impossible.

Environnement : les réactions de fusion produisent de l’énergie sans directement produire de déchets radioactifs avec tous leurs problèmes. Cependant, dans les concepts actuels de réacteurs il y a deux sources de radioactivité. Premièrement, du tritium, généré localement à partir du lithium, mais consommé directement. Deuxièmement, par l’activation des structures du réacteur par les neutrons. Des concepts futurs pourraient limiter cette radioactivité. De toute façon, un choix judicieux des matériaux de structure, les déchets radioactifs ne seraient pas un fardeau pour plusieurs générations. De plus, il n’y a pas de gaz de combustion comme dans le cas des centrales qui consomment des carburant fossiles. Par conséquent, il n’y a pas de contribution à l’effet de serre, aux pluies acides ou à la destruction de la coucher d’ozone.

Bibliographie

 

[1] W. Haefele et al., Fusion and Fast Breeder Reactors", RR-77-8, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria(1977); R. Keith Evans, "Lithium Reserves and Resources", Enrgy, 3, 379-385 (1978)]

[2] J. Raeder et al., « Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP), European Commission, Report EURFUBRU XIII-217/95 (June 1995); S. Baraschi, C. Berke, F Fuster Jaume, et al., Fusion Programme Evaluation 1996 », Report EUR 17521, Commission Européenne, Bruxelles, décembre 1996

[3] J.P. Holdren et al., « Summary of the report of the senior committee on environmental, safety and economic aspects of megnetic fusion energy », Lawrence Livermore National Laboratory, Report UCRL-53766 (1987)

[4] R.W. Conn et al., « Economic, safety and environmental prospects of fusion reactors », Nucl. Fusion, 30 (1990) 1919

[5] J. Raeder et al., « Controlled Nuclear Fusion : Fundamentals of its Utilization for energy supply », John Wiley & Sons, New York (1986)

[6] "Status Report on Controlled Thermonuclear Fusion, Executive Summary and General Overview", préparé par le International Fusion Research Council (IFRC), AIEA, Vienne (1990)

[7] E.E. Bloom, "Structural materials for fusion reactors". Nucl Fusion, 33, 1879-1896 (1990)

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