Article

1 - FUSION ET COMBUSTION THERMONUCLÉAIRES

2 - CONFINEMENT MAGNÉTIQUE

3 - CONFINEMENT INERTIEL

4 - PROJETS, ÉTAT DE L'ART

5 - CONCLUSIONS

6 - GLOSSAIRE – DÉFINITIONS

Article de référence | Réf : AF3683 v1

Fusion thermonucléaire : fondamentaux, réalisations et perspectives

Auteur(s) : Guy BONNAUD, Jean-Marcel RAX

Date de publication : 10 juil. 2015

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RÉSUMÉ

La fusion thermonucléaire des noyaux légers est connue depuis des décennies comme le processus de production d'énergie au sein des étoiles. Sa grande densité d'énergie spécifique la rend attractive pour envisager une nouvelle filière de réacteurs nucléaires électrogènes à partir des isotopes de l'hydrogène portés à quelques dizaines de millions de degrés. Cet article présente les principes physiques régissant la dynamique de la fusion et les résultats récents des grands projets. Les différents processus physiques mis en oeuvre dans les deux filières technologiques sont passés en revue : la voie du confinement magnétique (FCM) dans des machines toriques et la voie du confinement inertiel de microballons implosés par laser (FCI).

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ABSTRACT

Thermonuclear Fusion : Basic Principles, Achievements and Prospects

Thermonuclear fusion of light nuclei has been known for decades as the process of energy production in stars. Its high specific energy density makes it an attractive prospect for novel electricity generation from nuclear reactors using hydrogen isotopes heated to tens of millions of degrees. This article presents the physical principles governing the dynamics of fusion and the recent results of large projects. The various physical processes involved in the two technological sectors are reviewed: magnetic confinement in a torus and inertial confinement in laser-imploded microballoons.

Auteur(s)

  • Guy BONNAUD : Professeur INSTN - Expert international CEA - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Institut national des sciences et techniques nucléaires, Centre de Saclay, Gif-sur-Yvette, France

  • Jean-Marcel RAX : Professeur à l'École Polytechnique - Professeur à l'Université Paris-Sud Université Paris-Sud, Orsay, France École Polytechnique, Palaiseau, France

INTRODUCTION

Tous les scénarios de développements économiques à long terme prédisent un doublement, au moins, de la consommation énergétique mondiale vers la fin de ce siècle. La consommation actuelle est de l'ordre de 1020 joules par an et, compte tenu de l'impact de l'utilisation de combustibles fossiles sur notre environnement, la fusion thermonucléaire constitue l'unique voie de développement permettant de faire face à ce doublement de la demande énergétique, tout en offrant une perspective à très long terme (> 103 ans), exempte des problèmes de prolifération, d'emballement et de déchets à haute activité.

En termes de densité spécifique d'énergie (J/kg) l'énergie thermonucléaire offre une densité un million de fois plus élevée que l'énergie chimique. Un système de conversion d'énergie fondé sur la combustion thermonucléaire de deutérium (D) et tritium (T), les isotopes de l'hydrogène, suivant la réaction exothermique : D + T → α (alpha) + n (neutron), génère des déchets radioactifs de faible activité et ne présente aucun risque d'emballement.

Le deutérium se trouve en quantité abondante dans l'eau, dans une proportion de 1/6 700 par rapport à l'hydrogène ; la masse des océans étant de l'ordre de 1021 kg les réserves énergétiques potentielles de deutérium terrestre sont donc de l'ordre de 1011 années sur la base de la consommation actuelle d'énergie.

Cette estimation optimiste doit être révisée car le tritium est instable et sa demi-vie est de 12,3 années ; il n'existe donc pas à l'état naturel et doit être produit dans la couverture du réacteur en utilisant le flux neutronique des réactions de fusion D + T → α + n. Le lithium (Li) présente deux réactions neutroniques permettant la régénération du tritium. Avec l'isotope léger 6Li, la réaction n + 6Li → α + T est exothermique et présente une réactivité importante avec les neutrons thermiques. Le lithium se trouve en quantité abondante dans la croûte terrestre ; les abondances naturelles des isotopes léger et lourd sont respectivement 7,4 % de 6Li pour 92,6 % de 7Li. Des études théoriques de neutronique conduisent à évaluer à 95 % la fraction de l'énergie des neutrons qui pourra être déposée dans une couverture tritigène d'une épaisseur de l'ordre du mètre. Pour l'abondance naturelle du lithium, les réserves énergétiques potentielles se situent entre 104 et 107 ans, l'estimation basse étant restreinte aux ressources continentales et l'estimation haute prenant en compte l'exploitation des réserves océaniques.

Pour un réacteur électrogène à fusion offrant une puissance de 1 GW électrique, typique des réacteurs à fission actuels, les besoins annuels sont donc : 123 kg de deutérium + 184 kg de tritium qui, en fusionnant donnent 490 kg d'hélium. Le deutérium peut être extrait de 3,7 t d'eau naturelle. Une masse de 368 kg de 6Li présents dans 5 000 t de minerai de lithium naturel serait nécessaire.

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KEYWORDS

laser   |   thermonuclear fusion   |   tokamak   |   plasmas   |   supraconductibility   |   vacuum technology

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af3683


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ATZENI (S.), MEYER-TER-VEHN (J.) -   The physics of Inertial fusion.  -  Clarendon, Oxford (2004).

  • (2) - DRAKE (R.P.) -   High-energy-density physics : fundamentals, inertial fusion, and experimental astrophysics (shock wave and high pressure phenomena).  -  Springer-Verlag, Berlin (2008).

  • (3) - DUDERSTADT (J.J.), MOSES (G.A.) -   Inertial confinement fusion.  -  Wiley, New York (1982).

  • (4) - KRUER (W.L.) -   The physics of laser plasma interactions.  -  Addison-Wesley, New York (1988).

  • (5) - NUCKOLLS (J.), WOOD (L.), THIESSEN (A.), ZIMMERMAN (G.) -   Laser compression of matter to super-high densities : thermonuclear controlled thermonuclear reactor applications.  -  Nature, 239, p. 139 (1972).

  • (6) - DAUTRAY (R.), WATTEAU (J.P.) -   La fusion thermonucléaire inertielle par laser.  -  ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

Organisation internationale ITER http://www.iter.org/fr/accueil

Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives – Institut de recherches sur la fusion magnétique (IRFM) http://irfm.cea.fr/

National ignition facility – LLNL (États-Unis) https://lasers.llnl.gov/

Laser LMJ https://lasers.llnl.gov/

Institut Laser-Plasmas http://w3bdx1.drimm.u-bordeaux1.fr/ilp/ILP/GIS.html

Fédération Formation aux sciences de la fusion http://www.sciences-fusion.fr

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