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Auteur(s)
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François PARLANGE : Adjoint au Chef du Service Tokamak - Exploitation et Pilotage au CEA Cadarache
-
Christian LELOUP : Ancien Chef du Service de Technologie et d’Ingénierie Fusion au CEA
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Lire l’articleINTRODUCTION
Un appareil de recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique, tel le tokamak Tore Supra implanté dans le centre d’études du CEA de Cadarache (Bouches‐du‐Rhône), concentre un grand nombre d’équipements où l’électrotechnique et l’électronique de puissance jouent un rôle dominant et sont parfois poussées à leurs limites actuelles. On peut citer :
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de grands aimants supraconducteurs ;
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de grands aimants en cuivre refroidi ;
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des alimentations à thyristors de forte puissance (320 MVA installés) ;
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des sources hyperfréquence de plusieurs mégawatts ;
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des injecteurs d’atomes accélérés de plusieurs mégawatts ;
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des systèmes de cryogénie, d’extraction de chaleur, de pompage ultravide ;
etc.
Les composants développés pour ces applications sont nombreux et souvent originaux : supraconducteur pour champ magnétique variable, coupe‐circuit statique à fort pouvoir de coupure pour courant continu (0,7 GVA), tétrodes 2 MW, klystrons 500 kW, gyrotrons 500 kW, pompe électromécanique fonctionnant à très basse température (3 K), etc. Tore Supra est un bon exemple de la diversité des applications de l’électricité et un témoignage de la progression constante des techniques maîtrisées par les électriciens.
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1. Fusion et tokamak
1.1 Recherches sur la fusion
La formation de noyaux légers nécessite, proportionnellement, davantage d’énergie que la formation des noyaux de poids atomique moyen. On peut donc récupérer de l’énergie en combinant des noyaux légers pour fabriquer des noyaux plus lourds. C’est ce mécanisme de fusion qui est la source d’énergie des étoiles... et de la bombe H. La répulsion coulombienne des noyaux s’oppose à leur rapprochement et à leur fusion qui ne peut avoir lieu que par effet quantique. Les recherches sur la fusion thermonucléaire contrôlée visent à réunir les conditions pour que la réaction la plus facile, la fusion entre les deux isotopes de l’hydrogène, deutérium et tritium, puisse avoir lieu de façon continue ou semi‐continue. Ces conditions portent sur la température T du milieu (au moins 108 oC – soit une énergie de 10 keV par particule – pour que la section efficace de fusion soit assez grande), le nombre d’ions par unité de volume n, ou densité (pour augmenter la probabilité de collisions), et l’isolation thermique du milieu, ou confinement (pour ne pas dépenser trop d’énergie à maintenir la température). Aux températures considérées, le milieu est un plasma complètement ionisé.
Dans les étoiles, le confinement est dû à la gravitation. Sur terre, deux autres voies sont explorées :
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le confinement inertiel où l’on augmente très fortement la densité par compression ; les réactions de fusion peuvent avoir lieu, sous forme de micro‐explosions, avant une expansion trop grande du plasma ;
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le confinement magnétique qui utilise le guidage des ions et des électrons par les lignes de champ magnétique fermées, pour maintenir ces particules dans un volume fini, pendant un temps aussi long que possible.
On définit un rapport d’amplification Q comme rapport de la puissance produite par réaction de fusion à la puissance qu’il faut apporter de l’extérieur pour maintenir la température du milieu. Ce rapport approche de 1 dans les tokamaks actuels. Dans un réacteur, l’énergie dégagée par la fusion serait récupérée dans un échangeur et transmise à un générateur de vapeur pour produire de l’électricité. Une fraction de cette énergie (20 %) peut être absorbée par le plasma...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - REBUT (P.H.), GAMBIER (D.) - La fusion nucléaire contrôlée. - La Recherche, no 242, p. 436-444, 6 fig., avr. 1992.
-
(2) - Différents auteurs - La fusion thermonucléaire contrôlée. - Revue Générale Nucléaire, no spécial, p. 19 à 100, 19 articles, janv./fév. 1991.
-
(3) - TURCK (B.) - La fusion thermonucléaire contrôlée et les aimants supraconducteurs. - Revue Générale du Froid, p. 33-38, 9 fig., nov. 1995.
-
(4) - BAREYT (B.), BEUZIT (H.) et al - The Tore Supra poloidal field system power supplies (Les alimentations de puissance du système de champ poloïdal de Tore Supra). - Compte rendus du 14e SOFT, vol. 1, p. 875-882, Pergamon Press (1986).
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