Les défis de la fusion thermonucléaire

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1 Les défis de la fusion thermonucléaire présenté par P. Monier-Garbet, Institut de Recherches sur la Fusion Magnétique CEA Cadarache, St Paul lez Durance Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 1

2 Plan de l exposé 1. Les plasmas de fusion 2. Les défis scientifiques et techniques 3. Le projet ITER et l organisation des recherches Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 2

3 La fusion thermonucléaire: produire de l énergie D T D + T He + n 17,6 MeV He = He (1/5) Chauffage des noyaux + n (4/5) source de T + source d'énergie n n + Li He + T MeV Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P. 3 3

4 Conditions de réalisation: T>10keV, état plasma Energie 1 MeV Energie ~ énergie produite λ L ~10-13 m r nucléaire ~10-15 m Puits nucléaire distance Barrière coulombienne 1 / r Effet tunnel 10keV ~ optimum gain / probabilité Etat plasma, Chauffage du plasma Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P. 4 4

5 L univers: Association du plasma à l état C (presque) pur 15 millions / 5800 C 1000 C 150 millions C 50 millions C Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 5 P. Monier-Garbet

6 Conditions de réalisation: plasma confiné Condition d auto-entretien (ignition, Pext=0) n i τ E > 6x10 20 sm -3 τ E : temps de vie de l énergie = critère de Lawson, déduit du bilan de puissance Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P. 6 6

7 Un champ magnétique intense (10 5 x B terrestre ) confine les particules Champ B uniforme D + e - B mouvement = rotation de Larmor : ρ ( v ) mouvement // = libre, v // Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P. 7 7

8 Et enfin le tokamak lignes de champ hélicoïdales trajectoires des particules ~ lignes de champ magnétique (transp.// >> transp. ) angle poloïdal ρ i = m i v /eb 10 3 m v // B v current j p angle toroidal ϕ Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P. 8 8

9 La Fusion pourquoi? avantages D T D + T He + n 1000g g n He kwh = consommation en énergie de 2000 personnes par an en Europe! Energie nécessaire pour toute une vie : 45g (D + T) Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 9 Clermont-Ferrand, 25/08/2014 P. Monier-Garbet 9

10 avantages... (suite) peu d impact sur l environnement - pas d effet de serre. pas de déchets radioactifs à durée de vie longue. pas de risque d accident de criticité (pas de réaction en chaine). la matière première est abondante : le Tritium sera produit à l intérieur du réacteur (par les neutrons qui réagissent avec le Lithium de la couverture), et le Deuterium se trouve dans. L EAU! Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 10 Clermont-Ferrand, 25/08/2014 P. Monier-Garbet 10

11 inconvénients - réaction à seuil - contraintes matériaux (neutrons...) - production de Tritium (Li + n T + He). - stationnarité Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 11 Clermont-Ferrand, 25/08/2014 P. Monier-Garbet 11

12 1. Les plasmas de FUSION 2. Les défis scientifiques et techniques Le projet ITER et son dimensionnement Interaction plasma-paroi Défis technologiques 3. Organisation des recherches Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 12

13 Le projet ITER ITER est un projet international de recherche sur l énergie de fusion qui associe l Europe (+ la Suisse), la Chine, l Inde, le Japon, la Fédération de Russie, la Corée du Sud et les Etats Unis. TS JET ITER R (m) vous P. Monier-Garbet Clermont-Ferrand, 25/08/

14 Le projet ITER/ Objectifs Démontrer la faisabilité scientifique et technique de l utilisation de la fusion comme source d énergie dans un but pacifique. Concevoir, construire et opérer une expérience tokamak à une échelle qui permette d atteindre cet objectif. ITER est prévu pour confiner un plasma DT chauffé de façon dominante par les particules alpha = un plasma auto-entretenu. P. Monier-Garbet Clermont-Ferrand, 25/08/

15 Dimensionnement Le temps de confinement gouverne les performances du plasma Facteur d amplification Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 15 15

16 Dimensionnement Les pertes d énergie sont essentiellement conductives. τ E a χ 2 turb La diffusion dûe à la turbulence (χ turb ) détermine τ E. Flux Turbulent Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 16 16

17 LOIS d'echelle, TAILLE d'iter Compass ITER ITER 20 % JET JET AUG Compass AUG τ th I p R 2 P -2/3 Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 17 17

18 Régime stationnaire: L'interaction plasma-paroi: ordres de grandeur ITER: 480MW neutrons, ~120MW alphas à extraire en continu avec toutes les techniques de réduction, ~15-20MW/m 2 à comparer à: Tore Supra: ~10 MW/m 2 Navette spatiale 2 MW/m 2 Surface du soleil 70 MW/m 2 Régimes transitoires : perte rapide (<1ms) de 1 à 100% de l énergie du plasma. ITER: ELMs 20 MJ attendus endommagement des matériaux si > 0.5MJ/m 2 (destruction µm surface) Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 18 18

19 L'interaction plasma-paroi: configuration magnétique C L D + T He + n En régime stationnaire dans ITER, le flux d énergie à la paroi doit être q 10 MWm -2 ~100MW Plasma privé pt-x Pour diminuer le flux d énergie à la paroi: configuration magnétique + géometrie du divertor + rayonnement plasma Plaques de neutralisation (divertor) Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 19 19

20 Interaction plasma-paroi endommagement des matériaux, formation de poussières JET Tore Supra Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 20 20

21 Exemple de régime transitoire les ELMs JET en mode H émission visible image moyenne évolution : ELMs temps Impact d'un ELM sur la paroi Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. Monier-Garbet P. P. Monier-Garbet 21 21

22 + des défis technologiques ITER Maintenance robotisée cryostat Système magnétique Couvertures tritigènes et les matériaux de structure ITER Réacteur Chauffage et contrôle du plasma ITER D+T Extraction des cendres et les éléments de première paroi Li D T D D+T+cendres Pompage T He Séparation isotopique Cycle du combustible Production d électricité P. Monier-Garbet Clermont-Ferrand, 25/08/

23 1. Les plasmas de FUSION 2. Les défis scientifiques et techniques 3. Le projet ITER et l organisation des recherches Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P

24 ITER: une coopération internationale Association Les 7 partenaires représentent plus de la moitié de la population mondiale: Europe (+ la Suisse), Chine, Inde, Japon, Fédération Russe, Corée du Sud, Etats Unis. 90% of ITER components will be supplied in-kind by the Members. Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 24 P. Monier-Garbet

25 Le site de Cadarache ITER: 2000 pers (construction) 1000 pers (exploitation) Le site de Cadarache Centre CEA: 4500 pers Site autonome d ITER Tore Supra CEA Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 25

26 ITER: avancement du chantier à Cadarache PF Coil Winding Building CEA Cadarache Site Tokamak Complex ITER Headquarters

27 ITER: avancement du chantier à Cadarache 400kV Substation Tokamak Complex Foundations Tokamak Complex Construction with new ITER HQ Building PF Coil Winding Building

28 Site ITER après construction 39 Buildings, 180 hectares 10 years of construction 20 years of operation Power Supply Present HQ Building Tokamak Hall Permanent Office Buildings To Aix Parking

29 Equipe ITER installée sur le site de Cadarache depuis ~8ans, aujourd hui ~500 personnes. ITER IO établie formellement en October 2007 Construction démarée en Juillet 2010, équipe ITER IO installée sur le site en Octobre ans construction, 20 ans d opération. Coût: 5 billion Euros pour la construction, et 5 billion pour l opération et le démentèlement. Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet 29

30 Organisation des recherches International ITER, siège Cadarache, ~ 500 personnes Partenaires: Une agence ITER par partenaire : fournitures en nature, pour l Europe : F4E, siège Barcelone Europe: Commission européenne (Consortium EUROFUSION) Formation: réseau FUSENET, master et doctorat EFDA En France: Laboratoires: Fédération de Recherches sur la Fusion Formation: spécialité de Master co-habilitée sur 4 sites Agence ITER France: accueil, débat public, aménagement du site, licensing, démantèlement. Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P

31 Conclusion les plasmas de fusion = un milieu extrême Les recherches sur la fusion thermonucléaire = un programme scientifique et technologique dimension internationale exceptionnelle pluridisciplinaire (physique fondamentale + importance croissante de la technologie) Les Clermont-Ferrand, Milieux Extrêmes, 25/08/2014 Lyon, 5/02/09 P. P. Monier-Garbet P

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