Musée

Les enjeux de l’utilisation

de l’énergie nucléaire:

de la fission à la fusion contrôlée

A bas nombre de masse, un noyau est équilibré s'il y a autant de protons que de neutrons. A haute masse, il faut plus de neutrons.
La plupart des noyaux sont instables et tendent à retrouver leur équilibre en émettant des rayonnements alpha, bêta et gamma: on dit qu'ils sont radioactifs et qu'ils disparaissent avec le temps.



Les éléments indiqués en noir sont stables,
les autres sont instables.

Les noyaux instables peuvent émettre des rayonnements:
alpha (particule d'hélium)
bêta - (électron) ou bêta + (positon)
et gamma







Des noyaux, particules interagissent pour former de nouvelles entités.
Elles sont provoquées car elles nécessitent l’intervention d’une autre particule ou d’un noyau.
On distingue la fission et la fusion.

Cas de la fission

Un noyau lourd "fissible" donne naissance à deux noyaux plus légers sous l'action d'un neutron.
Capture d’un neutron par l’uranium 238: L’uranium 239 obtenu se transforme en Plutonium 239, combustible des centrales et bombes atomiques.

Les centrales nucléaires sont alimentées avec de l'uranium 235 enrichi à 3-4%.
Cet enrichissement atteint plus de 90 % pour les bombes atomiques.


LEU : low enriched uranium HEU: higly enriched uranium.

Cas de la fusion

C'est une réaction au cours de laquelle deux noyaux légers s'unissent pour former un noyau plus lourd.
Seule application actuelle: la bombe H ert le projet ITER.






Le Soleil est le siège de réactions de fusion













Le nombre de noyaux d’un échantillon radioactif diminue de moitié au bout d’un temps caractéristique appelé "période radioactive".
Cette division par deux ne dépend pas de l’âge des noyaux.





Au bout de deux périodes, le nombre de noyaux est divisé par quatre, au bout de trois périodes par huit, etc…




Colis de déchets vitrifiés issus du retraitement des combustibles usés des centrales nucléaires(ANDRA).

La fission génère des radioéléments qu'il faut traiter.
Aux environs de 1000 ans l’américium de 432 ans de période domine, alors que le résidu de technétium (T=211 000 ans) l’emporte à 10 000 ans et au delà.
La radioactivité de notre colis à 9 éléments est divisée par 10 000 au bout de 5000 ans date de la disparition de l’américium.
Au delà, perdure le très faible résidu de radioactivité du technétium.
L’important, c’est de confiner la radioactivité dans des verres garantis 10000 ans.

Réaliser la fusion en laboratoire

Trois conditions doivent être remplies pour obtenir la fusion au laboratoire :
- une température très élevée (pour provoquer des collisions fortement énergétiques)
- une densité de particules de plasma suffisante (pour augmenter la probabilité des collisions)
- un temps de confinement suffisant (pour maintenir le plasma, qui a tendance à se dilater, dans un volume défini).


Dans le cas d'ITER, la réaction de fusion se produira dans un tokamak.
L'intérieur du tokamak européen JET. Photo: EFDA, JET.





En l'état présent de la technologie, le combustible le plus efficace est un mélange à parts égales de deutérium (D) et de tritium (T).

Les combustibles

La réaction de fusion deutérium-tritium (D-T) libère des neutrons à haute énergie ainsi que des atomes d'hélium.
Les neutrons sont absorbés par une paroi de lithium et se recombinent alors en un atome de tritium et un atome d'hélium.
On peut ensuite extraire le tritium, le recycler dans le plasma et le rendre à sa fonction de combustible.

Une fois la réaction de fusion amorcée dans un tokamak, il suffira pour l'entretenir de l'alimenter en deutérium et en lithium, deux éléments disponibles en abondance.

Les centrales de fusion de demain devront produire dans leur enceinte même le tritium qu'elles consommeront. C'est tout l'enjeu du programme de recherche sur les modules tritigènes (Test Blanket Modules, TBM) qui doit déboucher sur l'autosuffisance en tritium. Des besoins en combustible réduits




L'énergie produite par la réaction de fusion est 4 millions de fois supérieure à celle que génèrée par la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel.

Une centrale au charbon de 1 000 MW brûle 2,7 millions de tonnes de charbon par an.
Une centrale de fusion consommera 250 kilos de combustible ( deutérium et tritium).

Le chauffage plasma

Image d'un plasma dans le tokamak coréen KSTAR.
A 150 millions de degrés, le plasma ne rayonne pas dans la lumière visible.
C'est au cœur des deux ''D'' inversés que la température est la plus élevée.
© National Fusion Research Institute Korea





L'injection de neutres est une technique utilisée pour porter le plasma d'ITER à la température recherchée:
À l'extérieur du tokamak, des particules de deutérium chargées sont accélérées jusqu'au niveau d'énergie nécessaire.
Ces ions accélérés traversent ensuite un « neutralisateur de faisceaux d'ions » qui élimine leur charge électrique.
Les particules neutres pénètrent alors à grande vitesse au cœur du plasma, où elles transfèrent, par collisions rapides, leur énergie aux particules déjà présentes dans le plasma.
Cette technique permet de transférer au plasma des millions de watts de puissance calorifique.
Une aute source de chaleur, les ondes électromagnétiques à haute fréquence, sera intégrée à la conception du tokamak ITER pour faire monter la température jusqu'aux 150 millions de degrés Celsius requis.

Le confinement du plasma

Ce confinement est obtenu par la superposition de champs magnétiques qui agissent comme des rails invisibles guidant les particules.
Ici, le tokamak sphérique MAST (Culham Centre for Fusion Energy, UK) qui a à son actif plus de 30 000 expériences de création de plasma.





Le tokamak ITER sera deux fois plus grande que la plus puissante des machines aujourd'hui en fonctionnement et le plasma qu'elle contiendra (840 mètres cubes) près de dix fois plus volumineux.

En exploitant certaines propriétés physiques des plasmas, les scientifiques sont parvenus à les « confiner » pour les maintenir à distance des parois.



Les plasmas sont constitués de particules chargées (des noyaux positifs et des électrons négatifs).
Un plasma peut donc être confiné, et modelé, par des forces magnétiques.
Comme le fait la limaille de fer en présence d'un aimant, les particules contenues dans le plasma suivent les lignes du champ magnétique.





Celui-ci forme alors une enceinte immatérielle, qui, à la différence d'un récipient solide, est insensible à la chaleur.ITER combinera délicatement différents champs magnétiques afin de conférer au plasma la forme d'un anneau, et d'isoler celui-ci des parois relativement froides de la chambre. Ainsi, le plasma conservera son énergie le plus longtemps possible. En confinant le plasma, la chambre à vide constitue la première barrière de sûreté de l'installation.

Les avantages de la fusion

Il est urgent de trouver une nouvelle source d'énergie à grande échelle, non émettrice de CO2, pérenne et disponible.
La fusion offre les avantages suivants :

Une énergie abondante :
La fusion libère une énergie quatre millions de fois supérieure à celle du charbon, du pétrole ou du gaz, et quatre fois supérieure à celle des réactions de fission nucléaire.
La fusion peut fournir l'énergie de base nécessaire pour nos villes et de nos industries.

Pérennité :
Les combustibles de fusion sont inépuisables.
Le deutérium peut être obtenu à partir de l'eau.
le tritium sera produit pendant la réaction de fusion lorsque les neutrons issus de la fusion des noyaux interagiront avec le lithium des modules placés dans la chambre à vide.





Aucune émission de CO₂ :
La fusion ne génère pas de dioxyde de carbone ou d'autres gaz à effet de serre.
Le sous-produit principal est l'hélium, un gaz inerte non toxique.

Aucun déchet radioactif de haute activité à vie longue :
L'activation des composants d'un réacteur de fusion est faible pour que les matériaux puissent être recyclés ou réutilisés dans les 100 ans qui suivent la mise à l'arrêt de l'installation.

Aucune prolifération :
Un réacteur de fusion ne contient pas d'éléments susceptibles d'être utilisés pour fabriquer des armes nucléaires.

Aucun risque de fusion du cœur :
Les conditions propices aux réactions de fusion sont difficiles à atteindre ; en cas de perturbation, le plasma se refroidit en l'espace de quelques secondes et les réactions cessent.
La quantité de combustible dans l'enceinte est insuffisante pour alimenter les réactions au-delà de quelques secondes et une « réaction en chaîne » est inconcevable du point de vue de la physique.

Coût :
La quantité d'énergie produite sera équivalente à celle produite par un réacteur de fission — entre 1 et 1.7 gigawatts.
Le coût moyen par kilowatt d'électricité devrait être légèrement plus élevé au début, la technologie étant nouvelle, puis décroissant par la suite.





Le mix énergétique des prochaines décennies devra reposer sur une large variété de sources d'énergie différentes.
En tant que nouvelle option énergétique non émettrice de carbone et non productrice de déchets nucléaires de haute activité à vie longue, la fusion répond aux défis que représentent le maintien des grands équilibres climatiques, la disponibilité des ressources et la sûreté.