B/ Plasmas, tokamaks et confinement magnétique
Dans un tokamak, le plasma est confiné par de puissants champs magnétiques à l’intérieur d’une vaste enceinte en forme de tore. Le volume de l’enceinte qui est de 100 m3 pour Tore Supra devrait passer à 830 m3 pour ITER. Le plasma est constitué d’un mélange ténu de deutérium et de tritium porté à très haute température qui atteint les 150 millions de degré pour la fusion nucléaire. Les parois de l’enceinte sont couvertes de tuiles réfractaires. Tore Supra a établi le record de durée de réaction de fusion : 6 minutes et demi mais avec une puissance de fusion négligeable.
On désigne par plasma le quatrième état de la matière quand celle-ci devient totalement ionisée, c’est–à- dire lorsque tous ses atomes ont perdu un ou plusieurs électrons périphériques. On l'obtient en chauffant la matière à très haute température. Les atomes se détachent de leurs électrons formant ainsi un gaz ionisé. Lorsque ce gaz est parcouru par un courant, les électrons se dirigent vers la borne + et les noyaux vers la borne -. C’est l’état de la matière le plus commun dans l’univers car il se retrouve à 99% dans les étoiles, le milieu interstellaire et l’ionosphère terrestre. Les atomes sont devenus des ions chargés positivement immergés dans un « océan » d‘électrons négatifs. L’ionisation résulte d’une transformation progressive de la matière due aux collisions des atomes entre eux lors d’un chauffage de plusieurs centaines de degrés. La température du plasma doit atteindre plusieurs millions de degrés pour que la fusion nucléaire se déclenche.
Globalement neutre électriquement, le plasma, constitué de deux populations de particules chargées coexistantes, est un fluide gazeux très conducteur : il se comporte d’une façon très différente d’un liquide ou gaz classique, car les ions et les électrons sont très sensibles à la présence de champs électriques et magnétiques.
Lignes de champs magnétiques
Les lignes de champ d’un tokamak
Pour confiner le plasma à l’intérieur de l’enceinte, on utilise des champs magnétiques intenses générés par des bobines situées autour du tore et le courant du plasma qui circule dans l’enceinte. Ce courant plasma de plusieurs millions d’ampères est généré par induction, à partir d’un puissant bobinage placé dans l’espace vide au centre du tore. En faisant varier le courant dans ce bobinage, on engendre un courant dans le plasma comme dans un transformateur électrique. Le rôle de ce courant est double : il permet de chauffer le plasma dans sa phase initiale et il aide à son confinement. En chaque point de l’enceinte, la direction du champ magnétique est donnée par une ligne fictive, appelée ligne de champ. De la configuration de ces lignes de champ dépend le confinement. Les lignes de champ circulaires des bobines situées autour du tore deviennent des hélices qui se referment sur elles-mêmes par le fait du courant plasma. Cet entrelacement serré des lignes de champ assure un meilleur confinement que celui qui serait obtenu par le seul champ des bobines . Le confinement du plasma est basé sur la propriété qu’ont les particules chargées de parcourir une trajectoire en hélice autour d’une ligne de champ. Le rayon de giration de la particule autour de cette ligne dépend de l’intensité du champ magnétique, de la masse, de la charge de la particule et de son énergie cinétique : plus le champ magnétique est intense plus ce rayon est faible et la particule reste « collée » au voisinage de la ligne de champ. Dans ces conditions, le plasma chaud, emprisonné dans une bouteille magnétique ne rentre pas au contact des parois de la chambre. Le courant, qui chauffe le plasma dans sa phase initiale, ne suffit pas pour atteindre les températures requises pour la fusion nucléaire. On a donc recours à des systèmes de chauffage additionnels, par injection de particules neutres très énergétiques ou par ondes radio-fréquences selon le principe d’un four micro-onde.
Vue générale d'ITER Vue éclatée d’ITER une fois achevé vers 2016. On aperçoit au centre l’enceinte de confinement du plasma à haute température. Le personnage dans la partie inférieure de l’image donne l’échelle de l’installation.
Le confinement des noyaux est assuré par un champ magnétique toroïdal qui enserre l’ensemble des noyaux légers dans le tore et qui les maintient hors contact des parois de la machine. On devine que la densité du plasma (n.), sa température (T) et son temps (t) de confinement sont des données essentielles pour évaluer la qualité du plasma et sa capacité à permettre l’entretien des réactions de fusion; c’est le fameux critère de Lawson à remplir et qui exprime la condition d’ignition d’une réaction de fusion :
En pratique n doit être de l’ordre de 1020 par mètre cube, T de l’ordre de 100-200 millions de degrés (10-20 keV), t (tau) est le temps de confinement du plasma lorsque les sources qui l’alimentent s’arrêtent (typiquement plusieurs 100 ms). Ce temps ne doit pas être confondu avec la durée de la décharge électrique dans le circuit magnétique (le record a été atteint par l’installation ToreSupra (Cadarache)durant 6mn30s et 1 MégaJoule injecté et extrait).
Le critère de Lawson a presque été satisfait dans JET et par Tore Supra mais dans des temps encore trop courts. Le coût total du projet est estimé à environ 10 milliards € étalés sur 10 ans (construction 4,7 milliards €, fonctionnement 4,8 milliards €, région 0,5 milliards €) répartis à hauteur de 40% pour l’UE, 10% pour la France, et 10% pour chacun des 5 autres partenaires. La durée de construction est estimée à 10 ans (2015-2026) La durée d’utilisation est estimée aux environs de 10 ans (2026-2030) avec un nombre de scientifiques travaillant à environ un millier, auxquels s'ajoutent les emplois locaux générés.
Les caractéristiques principales de ITER sont mises en regard avec celles de le Tokamak supraconducteur TORE-SUPRA encore en service à Cadarache. On remarquera le changement d’échelle impressionnant de la nouvelle installation. Les rayons indiqués sont ceux que le plasma ne doit atteindre pour ne pas toucher les parois de l’enceinte.
Vous pouvez trouver plus de détails sur le Combustible et l'énergie produite dans la troisième partie termine ce chapitre sur l'utilisation de la fusion sur la Terre.