ITER et la fusion. R. A. Pitts. ITER Organization, Plasma Operation Directorate, Cadarache, France

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1 ITER et la fusion R. A. Pitts ITER Organization, Plasma Operation Directorate, Cadarache, France This report was prepared as an account of work by or for the ITER Organization. The Members of the Organization are the People's Republic of China, the European Atomic Energy Community, the Republic of India, Japan, the Republic of Korea, the Russian Federation, and the United States of America. The views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the Members or any agency thereof. Dissemination of the information in this paper is governed by the applicable terms of the ITER Joint Implementation Agreement. CETE, Univ. de Provence, Marseille, 30 juin 2011 (ITER_D_4GG4H7) Page 1

2 D abord, qu est-ce qu ITER? Un des plus grands projets scientifiques jamais conçu le Tokamak ITER sera de loin la plus grande machine expérimentale pour la fusion nucléaire 7 partenaires: Chine, Corée du Sud, EU, Inde, Japon, Russie, USA Seven members involved in the construction of ITER More than half of the world population Page 2

3 La Fusion nucléaire C est l origine de la puissance de notre soleil et de toutes les étoiles Et donc de notre existence! Comment ça marche? On fait fusionner deux atomes légers (noyaux) pour former un noyau plus lourd.. + Noyau leger + Noyau leger + Noyau plus lourd Energie et on s appuie sur le fameux principe d équivalence de masse et énergie (Einstein) E = mc 2 Energie = masse x (vitesse de la lumière) 2 La différence de masse m et infiniment petite mais devient importante lorsque l on multiplie par c 2. Page 3

4 La fusion ne se passe pas facilement: les noyaux ont des charges positives et se repoussent La Fusion nucléaire Pour surmonter cette barrière, on chauffe les particules à de très hautes températures Notre soleil le fait grâce a son énorme masse compression des combustibles par gravitation: l hydrogène est brûlé pour former l hélium Il consomme ~600 millions de tonnes d hydrogène par seconde! Surface: 6,000º C Centre: 15,000,000º C Ce gaz porté à de très hautes températures est un plasma Page 4

5 La Fusion nucléaire Sur Terre, la fusion d hydrogène n est pas appropriée elle se passe trop lentement Le soleil y arrive grâce à sa grande densité de protons D proton T fusion 80% de l energie neutron He 20% de l energie On utilise la réaction de 2 isotopes d hydrogène: deutérium (D) et tritium (T) La réactivité la plus élevée à une température donnée La fusion de 1 gramme de D+T produirait l équivalent d environ 8000 litres de mazout Page 5

6 La Fusion nucléaire Présent dans l eau (H 2 O) à environ une partie sur 6500 facile à extraire D fusion S échappe du plasma et donne son énergie aux parois du réacteur neutron T N existe pas naturellement mais peut être fabriqué via: neutron + Li T + He He Particule chargée piégée par le plasma et donne son énergie aux combustibles Page 6

7 Comment réaliser la fusion sur Terre? Deux conditions nécessaires pour que la fusion soit réalisable: 1. Suffisamment de particules (densité) à des températures suffisamment élevées (~150 millions C pour la réaction D+T) 2. Confiner les particules ensemble suffisamment longtemps pour que les réactions de fusion puissent être maintenues Le confinement magnétique nous offre une très sérieuse option Le projet Page 7

8 Le confinement magnétique Dans le soleil c est la gravitation qui fournie le confinement du plasma chaud Sur terre notre seul option est d employer des champs magnétiques La température du plasma est si haute que tous les électrons sont séparés une soupe de particules chargées contraintes de suivre les lignes de champs magnétiques On empêche des particules chaudes d interagir avec les parois. Un système linéaire aurait trop de pertes Page 8

9 Le confinement magnétique Dans le soleil c est la gravitation qui fourni le confinement du plasma chaud Sur terre notre seul option est d employer des champs magnétiques La température du plasma est si haute que tous les électrons sont sépares une soupe de particules chargées contraintes de suivre les lignes de champs magnétiques Pour contourner ce problème, on peut fermer le champs magnétique sur lui-même Page 9

10 Le principe du tokamak On ferme, donc, le champ magnétique sur lui-même pour créer un anneau «toroidale» le tokamak provient du russe: toroidalnaya kamera, magnitnaya katushka (chambre toroidale et bobines magnétiques) Bobines externes pour produire un champ magnétique toroïdal Transformateur avec bobinage primaire pour produire un courant toroïdal dans le plasma Ce courant crée un champ magnétique poloïdal Et enfin des bobines poloïdales pour contrôler la position et la forme du plasma Page 10

11 Le principe du tokamak On forme, donc, une sorte de bouteille magnétique toroïdale En fait, le combinaison des champs toroïdaux et poloïdaux donne comme résultat un champ «hélicoïdal» Le champ magnétique principal d ITER sera d environ 10 Teslas 200,000 x le champ terrestre Les premières expériences de ce type ont commencé à Moscou en 1954 Page 11

12 Le tokamak - sommaire On injecte du combustible gazeux dans une enceinte à vide torique entourée de bobines magnétiques Circuit primaire du transformateur Un courant induit dans le gaz permet de produire une partie du champ de confinement magnétique et de le chauffer pour produire notre plasma Mais ce n est pas suffisant les particules vont tout de même éventuellement quitter le plasma. PLASMA Bobines toroïdales Bobines poloïdales Page 12

13 L importance de la taille Le temps de confinement, τ E, dépend fortement de la taille d un tokamak et du courant toroïdal: τ E I p R 2 R Les premiers tokamaks avaient: R = 0.6 m, I p = 40 ka I p ITER aura: R = 6.3 m, I p = 15 MA Nous ne comprenons pas encore tous les détails de la physique qui déterminent la valeur de τ E Page 13

14 Pour atteindre les températures nécessaires pour la fusion, le chauffage ohmique (par courant dans le plasma) ne suffit pas On rajoute de la puissance additionnelle venant de grand systèmes de chauffages auxiliaires ITER aura environ 70 MW de puissance injectée Et la température I p Antennes RF (radio fréquences et micro-ondes) Faisceau de neutres (H 0, D 0 ) Page 14

15 L objectif et but principal d ITER Dans un premier temps, nous ciblons: Puissance Fusion Q = = Puissance injectée = 10 Et ceci pour des plasmas de durée d environ 7 minutes D + T He + neutron 100 MW Piégé par le champs magnétique (He 2+ ) donne son énergie au combustibles maintient des réactions a fusion 400 MW S échappe du plasma (pas de charge électrique) absorbé dans le manteau autour du plasma Page 15

16 ITER le plus grand tokamak jamais conçu ITER a une dimension deux fois supérieure au plus grand tokamak existant et en fonctionnement: Le JET Tore Supra V plasma 25 m 3, I p ~ 1 MA P fusion 0 MW t plasma ~ 400 s JET V plasma 80 m 3, I p ~ 3 MA P fusion ~16 MW, 1s t plasma ~30 s ITER V plasma 830 m 3, I p = 15 MA P fusion ~500 MW, s t plasma ~ s Page 16

17 ITER est avant tout une expérience. Il doit nous montrer la voie vers les réacteurs DEMOs à 2-4 GW Sans cette étape on ne pourra pas progresser Un fabuleux défi de recherche pour les physiciens et ingénieurs Un important axe et centre de formation pour le futur de la fusion Page 17

18 Quelques composants importants d ITER Page 18

19 Les aimants 39 bobines supraconductrices principales 18 bobines toroïdales 6 éléments bobinage primaire 6 bobines poloïdales poids total: 9700 tonnes Page 19

20 La chambre à vide Pression du vide ~5 x 10-8 mbar Double-parois, structure en acier diamètre extérieure: 19.4 m, hauteur: 11.3m, poids: 5300 tonnes Page 20

21 La chambre à vide Son poids: ~75% de celui de la Tour Eiffel Tower (plus si l on compte les composants de la première paroi) Poids: 7300 tonnes Hauteur: 324 m Page 21

22 Le Cryostat Pourquoi? Réduire le transfère de la chaleur dans la présence des bobines supraconductrices aux températures cryogéniques (4.2 Kelvin 269ºC) Diamètre: 29.2 m Hauteur: 29 m Poids: ~3300 tonnes Pression du vide: <10-4 mbar Page 22

23 Première paroi Les composants face au plasma Gestion de la chaleur, réduction des impuretés, blindage neutronique Divertor échappement de la chaleur et des particules Page 23

24 La première paroi 1.0 m 1.4 m 440 unités, poids total: ~1800 tonnes Page 24

25 Le divertor 54 unités Poids total: ~470 tonnes Activement refroidi (à l eau) Densité de puissance = 10 MW/m 2! Page 25

26 Itinéraire des composants Page 26

27 Transport des gros composants Arrivée à Fos en provenance d Europe, du Japon, de Corée, d Inde, de Russie, des USA et de Chine Convois exceptionnels «standards» route habituelle des transports 3ème catégorie (140 km) ~200 composants plus qu exceptionnels (taille ou masse) transfert en barge de Fos à Berre (26 km) puis «itinéraire ITER» (104 km) 18 communes traversées (Bouches-du-Rhône) 260 km de déviations sur 4 départements (32 communes impactées Aménagement indispensable pour l accueil du Projét par la France Page 27

28 Exemples de composants très exceptionnels Bobines Toroïdales 320 tonnes 690 tonnes avec remorque et emballage Secteurs de Chambre à vide 420 tonnes 750 tonnes avec emballage et remorque Page 28

29 Exemples de composants très exceptionnels Secteur avec emballage sur remorque autopropulsée 750 tonnes Convoi le plus long (poutre pont roulant), sur traversier tracté 60 mètres Page 29

30 Itinéraire des composants très exceptionnels Page 30

31 Le site Page 31

32 Le site en 2005 Page 32

33 2.5 million m 3 de terre déplacé 40 ha platforme: capacité de charge 25 t/m² Dans la zone du bâtiment tokamak: 100 t/m 2 Et apres 4 ans de travail. Page 33

34 22 décembre 2010 Les premiers batiments se construisent. Page 34

35 22 décembre 2010 Batiment de montages des bobines poloïdales Page 35

36 Bâtiment bobines poloïdales PF2 PF1 PF3 PF4 PF5 PF6 longueur: 252 m, largeur: 45 m, hauteur: 20 m Page 36

37 Bâtiment bobines poloïdales PF2 PF1 PF3 PF4 PF5 PF6 longueur: 252 m, largeur: 45 m, hauteur: 20 m Page 37

38 Mai 2011 Batiment de montages des bobines poloïdales Page 38

39 Construction du siege (12/2010) Page 39

40 Construction du siege: mai 2011 Page 40

41 Ce que l on nous a promis. Beaucoup d entre nous attendent avec impatience Mon bureau Vue architecturale Rudy Ricciotti, Laurent Bonhomme Page 41

42 Site du batiment tokamak (mai 2011) 120 m x 80 m x 22 m environ m 3 de matériaux extraits Réalisation de structure support m 3 de béton Page 42

43 Le personnel d ITER A la fin 2010, ITER avait 474 membres du personnel : 304 professionnels et 170 personnes en support technique. Il y aura environ 500 personnes pour la fin 2011 Professional staff Support staff Total CN EU IN JA KO RU US Total Distribution of P staff by ITER members Page 43

44 Un projet finance en nature a 90% La plus grande partie des composants de la machine seront fournis par les parternaires d ITER La répartition des lots entre les membres a été négociée en fonction de leur intérêt et de leurs compétences % EU CN IN JA KO RF US IO Machine core Internal auxiliaries External auxiliaries Heating, Diagnostics, Control Buildings 9% 9% 9% 46% 9% 9% 9% Page 44

45 Deux étapes liées au planning Phase de construction Technologie: R&D en soutien du design et fabrication du hardware Physique: Développement de modèles de plus en plus sophistiqués: du transport dans le plasma du contrôle du plasma de l interaction plasma-parois du chauffage du plasma Coordination d expériences dans les tokamaks existants en soutien d ITER Phase d exploitation ITER devient tout simplement un des plus (sinon le plus) grands projets scientifiques et technologiques de la planète LE CENTRE de recherche mondiale sur la physique des plasmas chauds et de la fusion nucléaire Page 45