Iter est un projet expérimental de fusion nucléaire qui étudie le plasma et la durée du plasma. Il est donc nécessaire de fournir régulièrement pour le plasma les combustibles, c'est-à-dire le deutérium et le tritium. Cependant un plasma est énergétique, dangereux et abîme les composants qui l'entourent. Il faut donc protéger ces composants (bobines, chauffages, etc.) par une couverture qui devra être soit très résistante soit facilement renouvelable.
Combustibles du plasma
Le plasma est un état énergétique qui consomme et consume ici deux éléments : le deutérium et le tritium.
Le deutérium représente sur Terre 0.015% des atomes d’hydrogène et peut être extrait de l’eau de mer. Il est donc relativement facile à trouver : on peut en extraire pendant10 milliards d'années de consommation annuelle mondiale ce qui représente un énorme avantage par rapport aux énergies fossiles qui pourraient être épuisées dans environ 50 ans.
Au contraire, le tritium ne se trouve que très peu naturellement sur Terre. En produire grâce à une usine nucléaire demanderait beaucoup trop d'énergie et d'argent pour peu de choses. La solution est donc de le produire directement dans le réacteur. Pour cela, il existe deux méthodes : lors de la réaction de fusion qui consomme un noyau de deutérium et un noyau de tritium, un noyau d'hélium et un neutron sont produits. Parfois, ce neutron peut être capturé par un noyau de deutérium qui va alors former un tritium utilisé pour la fusion. Cependant ce cas est assez rare du fait de l'énergie cinétique portée par le neutron, ce qui le rendra difficile à capturer.
La seconde option consiste à profiter de cette énergie cinétique pour faire réagir ce neutron et créer par fission un noyau de tritium, récupéré alors au bas du réacteur et réinjecté dans le plasma. Cette fission se réaliserait à l'extérieur du plasma dans la couverture du réacteur, à partir de noyaux de lithium.
Matériaux de la couverture
La couverture est le composant du réacteur qui protège les autres composants du plasma, et particulièrement des neutrons et de leur énergie. Pour y résister, il existe deux choix possibles : des matériaux résistants, ou une couverture facilement remplaçable. De plus, comme on vient de le voir, au moins un des matériaux qui la composent doit réagir avec un neutron pour créer du tritium. Les techniciens d'Iter ont décidé de faire une couverture composée de modules. Ainsi, on peut facilement démonter la couverture en la désassemblant. Il existe près de 440 modules différents, ce qui permettra aux techniciens d'Iter de faire des expériences sur les matériaux en variant ces modules, comme la recherche de l'autosuffisance en tritium en le créant à partir d'une réaction de fission nucléaire.
Les premiers modules ne doivent que protéger les composants et, par conséquent, ne contiennent que des matériaux résistants. Ils sont ainsi majoritairement composé de béryllium, du fait de sa bonne conductivité thermique et de sa bonne résistance à la fatigue et aux frottements; ainsi que d'acier inoxydable qui compose aussi le cryostat, dispositif de refroidissement qui est traversé par les fluides de refroidissement, et de cuivre à haute résistance.
Le métal choisi pour la production de tritium est le lithium, qui peut subir, sous l'action d'un neutron, des réactions de fission de formules:
- n + 6Li → T + 4He + 4,78 MeV
- ou bien n + 7Li → T + 4He + n - 2,47 MeV.
Ces réactions ont l'avantage de produire du tritium à partir d'un métal, ce qui permet de l'ajouter facilement à la composition des modules de la couverture, ainsi que de produire les mêmes déchets que la fusion : l'hélium 4, noyau stable et non radioactif. On verra donc au fur et à mesure des recherches menées à Iter de plus en plus de modules contenant du lithium pour la production de tritium.
On remarque cependant que la réaction engageant le lithium 6 produit de l'énergie, au contraire de celle engageant le lithium 7. Cependant, le premier n'est présent qu'à 7,5% à l'état naturel, donc par conséquent, il y aura plus de pertes d'énergie lors de la production de tritium que de gains, ce qui constitue une perte de puissance.
Un autre problème se pose : en analysant les réactions, on remarque qu'un tritium produit un neutron lors de la réaction de fusion, puis qu'un neutron produit un tritium par fission. Par conséquent, il faut à tout prix éviter les pertes de tritium et de neutrons si l'on veut assurer l'autosuffisance, ce qui se révèle impossible : les neutrons ont des rôles divers, et tous ne pourront pas réagir avec le lithium. Un matériau "multiplicateur de neutrons", comme le béryllium ou le plomb, qui, par fission, produit plus de neutrons qu'il n'en reçoit, doit donc être incorporé à la couverture.
Fluides de refroidissement et récupération potentielle d'énergie
Iter n'a pas pour objectif de produire de l'énergie, mais de faire des recherches sur le plasma et ce type de production d'énergie. Cependant, on peut déjà envisager comment l'énergie produite par le plasma serait récupérée, ce qui est le but du réacteur suivant ITER, appelé DEMO. Nous avons déjà évoqué les fluides de refroidissement traversant le cryostat. Ce cryostat se situe dans le réacteur derrière la couverture. Ces fluides ont plusieurs fonctions : la première est de refroidir à une température proche du zéro absolu les aimants pour qu'ils deviennent supraconducteurs. Les fluides de refroidissement, comme leur nom l'indiquent refroidissent également des systèmes annexes qui chauffent lors de leur utilisation, comme, par exemple, le chauffage par radiofréquence. Enfin le système de refroidissement passe dans le cryostat, derrière la couverture, pour, à la fois, protéger les autres composants de la chaleur dégagée par le plasma, et pour récupérer cette chaleur. Cette chaleur est ainsi transmise de façon classique, c'est-à-dire comme dans un réacteur à fission : en effet, lorsque les neutrons très énergétiques sont formés par une réaction nucléaire, portant ici 14,1 MeV, ils sortent du champ magnétique, puisqu'électriquement neutres. Ils percutent alors la paroi à grande vitesse et chauffent les fluides présents derrière les circuits de refroidissement, habituellement au nombre de trois qui se transmettent la chaleur et se refroidissent mutuellement. Chaque circuit à sa fonction : le premier est celui qui récupère l'énergie du plasma, que les fluides récupèrent sous forme thermique. Le second circuit met en mouvement les turbines qui produisent l'électricité : la chaleur reçue du premier circuit transforme l'eau en vapeur d'eau qui va être ensuite envoyée sous pression sur les turbines. Enfin le troisième circuit permet de refroidir tous ces fluides qui s'évaporent et sortent de la centrale.
Ainsi, la fusion magnétique, bien que sa faisabilité ne soit pas encore prouvée, et soumise à des validations techniques, est étudiée très sérieusement comme une possible énergie future. Cela se voit notamment avec le projet Iter, projet expérimental de fusion par confinement magnétique qui est un projet international car financé par 34 pays dont les principaux sont la Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l'Europe, la Fédération de Russie, l'Inde et le Japon.