TPE 1èreS
L'énergie nucléaire en France

Matthieu Burnand-Galpin
Chandima De Silva
Eran Diler
John Fleury
L'énergie nucléaire en France
III 3 - La fusion nucléaire
         Aujourd’hui, toutes les centrales nucléaires en activité commerciale sont à fission nucléaire, mais une nouvelle technologie est en voie de développement : la fusion nucléaire. Cette technique consiste à associer deux atomes alors que la fission divise un atome en deux. D’ailleurs, la fusion est la réaction qui se produit au cœur du soleil. Il convient de se demander  pourquoi cette technologie n’est pas en fonctionnement aujourd’hui. Nous tâcherons d’y répondre en expliquant les principes de fonctionnement, ensuite, nous retracerons l’historique des essais jusqu’à nos jours, enfin nous citerons le projet ITER qui représente l’avenir de la fusion.

         Commençons par le principe de fonctionnement. Les réacteurs à fusion actuellement les plus utilisés et les plus performants sont de technologie Tokamak.

Réaction de fusion
Source : Les défis du CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) n°99.
*1MeV=1.106 eV=1,6.10-13 J
         Le deutérium et le tritium, des isotopes de l’hydrogène, fusionnent pour former un atome d’hélium et un neutron « énergétique ». C’est ce dernier qui produit la majorité de l’énergie. Cependant, une des difficultés techniques réside dans le fait que le deutérium et le tritium ont tous les deux des charges positives, de ce fait, ils se repoussent. Alors, il faut parvenir à rapprocher les deux atomes à une distance de 10-15 mètres. Pour cela, il faut leur communiquer une très grande vitesse en les chauffant jusqu’à 100 millions de degrés. La température est si élevée que la matière se présente sous forme de plasma et si intense qu’aucun matériau ne peut résister à cette chaleur. C’est un champ magnétique qui se charge de conserver le deutérium et le tritium éloigné des parois. Le champ magnétique permet aussi aux neutrons énergétiques et l’hélium, qui sont électriquement neutres, de toucher les parois pour leur communiquer l’énergie sous forme de chaleur, qui est ensuite transportée vers un fluide caloporteur, généralement de l’eau. Ce premier circuit chauffe un autre circuit et grâce à la vapeur produite, cette eau actionnera ensuite les turbines qui produiront l’électricité.

         D’autre part, pour l’énergie nucléaire à fusion, il faut deux combustibles. Actuellement le deutérium et le tritium sont les combustibles d’une centrale à fusion. Un des principaux avantages de la fusion est que ses combustibles sont quasi inépuisables. On trouve le deutérium dans l’eau de mer, à raison de 33 g/m³ d’eau de mer. En revanche, le tritium est un produit qui est stocké aujourd’hui dans des centres de stockage des déchets radioactifs. Il résulte des activités de fission nucléaire et il existe en quantité suffisante pour approvisionner la production commerciale d’électricité produite par la fusion nucléaire. Le tritium perd la moitié de sa radioactivité au bout de 12,3 ans. Ainsi, une partie est accessible pour les réacteurs à fusion. A terme, le tritium sera produit directement sur le site de la fusion, grâce à la fission du lithium par un neutron, qui produit un atome de tritium et quatre atomes d’hélium. En effet, le lithium est un élément très abondant sur terre, à raison de 20mg par kg dans la croûte terrestre et 0,18 mg par litre dans les océans. Il faut 8,33.105 m3=8,33. 10-4km3 d’eau de mer (alors qu’il y a à peu près 1.109 km3 d’eau dans tous les océans : ainsi il y a assez de combustible pour qu’un réacteur à fusion de 1000MW puisse fonctionner pendant 1.1012  années, soit assez d’énergie pour fournir le monde entier pendant 350 000 années), pour avoir 150 kg de tritium.

         Or, le fait que le tritium soit présent à hauteur de 20 mg par kg de croûte terrestre, peut signifier que le tritium est une ressource très rare. Cependant le tableau ci-dessous nous prouve le contraire.
Source : <http://www.nucleaire-info.com/comparatif_des_sources_d_energie.htm>. Cependant le tableau a été légèrement modifié.
Dans la rubrique « Photovoltaïque », p correspond à l’exposition au soleil des cellules solaires.
Notons aussi que la taille des éoliennes varie ; entre 0,6MW et 5MW. Pour une moyenne d’éoliennes de 1MW, il faudrait 3400 éoliennes.
         En effet, l’énergie de fusion nécessite très peu de combustible. Un gramme de combustible D+T équivaut à dix millions de grammes ou dix tonnes de charbon en terme d’énergie. Ceci constitue l’un des plus gros avantages de la fusion. Elle en possède de nombreux autres. Elle ne pollue pas et ne rejette pas de CO2. De plus, la fusion peut produire de l’électricité à grande échelle. En théorie elle peut être 500 fois plus puissante qu’une éolienne. En outre, un avantage que possède la fusion sur la fission, est que la réaction ne peut pas s’emballer. Si une petite quantité d’air, en cas de fracture de la paroi, venait à entrer en contact avec le plasma, la réaction s’arrêterait immédiatement. Il n’y a donc pas de risque d’accident majeur. Le combustible est non seulement quasi inépuisable, mais il est également répartit à travers la planète, car on peut le trouver dans l’océan. Ainsi le pays exploitant peut avoir une indépendance énergétique totale, sans dépendance d’un pays étranger. Enfin, les déchets ne nécessitent pas de stockage à long terme, environ 300 ans, alors que certains déchets issus de la fission nucléaire peuvent atteindre des milliards d’années.

         Cependant la fusion à plusieurs inconvénients majeurs à l’heure actuelle. La technologie est très compliquée et difficile à maîtriser. Pour le moment, tous les prototypes en attente d’ITER (ce qui signifie en français : Réacteur Expérimental Thermonucléaire International), consomment plus d’énergie qu’ils n’en produisent. L’énergie consommée étant utilisée pour agiter, chauffer et ainsi déclencher la fusion lorsque le combustible est sous forme de plasma. C’est donc une énergie, qui, au mieux, pourrait commencer à produire industriellement de l’électricité en 2050. De plus, ses coûts d’investissement sont très élevés en matière de recherche et de construction : 10 milliards d’euros sont nécessaires pour ITER.

         Examinons ensuite les essais et prototypes de l’énergie nucléaire à fusion. Aujourd’hui, il existe plus d’une vingtaine de prototypes de forme Tokamak ou autres. Ils varient en taille et en efficacité. Nous allons surtout nous intéresser à quatre Tokamaks qui détiennent tous un ou plusieurs records. Leurs technologies seront mises en commun pour permettre à ITER d’être le plus performant possible.

         Le tokamak T3 russe marque le début de la recherche intensive sur la fusion. En 1968, les Soviétiques obtiennent une température de 10 millions de degrés dans l’un de leurs réacteurs. C’est un record à cette époque et c’est alors qu’une vague de centrales à fusion sont construites.

         Parmi cette vague de centrales à fusion construites, il existe le JET (Joint European Torus), qui en 1997, bat le record de puissance et atteint une pointe de 15 MW. A titre de comparaison, cette pointe à une durée inférieure à quelques secondes et les 15MW représentent 1/100 de l’énergie produite par une centrale à fission, comme l’EPR.
Le Tokamak JET : à gauche au repos et à droite une photo infrarouge de la fusion
Source : http://www.bnes.com/ygn/events/reactor/reactor07/reactor07.html
         Un autre réacteur est le JT-60, qui se trouve au Japon. Il est le seul réacteur à fusion qui ait produit plus d’énergie qu’il n’en a consommé, pendant 1/100 de seconde avec Q=1.25 (Q=énergie produite/énergie fournie. Donc Q doit être supérieur à 1 pour qu’il produise de l’énergie. Cependant pour que la fusion devienne rentable il faut que Q>40. L’objectif de ITER étant de Q=10).

         Enfin, le dernier réacteur intéressant à étudier est Tore Supra en France. En 2003, il bat le record de durée de fonctionnement, c'est-à-dire lorsque le combustible se présente sous forme de plasma, cette durée est de 6 minutes et 30 secondes. En effet, il est très difficile de maintenir la réaction plus de quelques minutes. Ce record est toujours valable aujourd’hui.

         Ainsi, ITER est le réacteur qui peut battre tous ces records. Il a plusieurs objectifs : atteindre 500MW de puissance, 1000s de fonctionnement (16 minutes 40 secondes) et atteindre Q=10.

         Cependant, ITER, à la différence des autres réacteurs, se donne de réels moyens pour atteindre ces objectifs. La chambre de fusion sera 3 à 5 fois plus grande que les réacteurs d’aujourd’hui. Son coût est d’environ 10 milliards d’euros. Les pays les plus avancés dans le domaine de la fusion nucléaire se sont réunis, en terme de financement et de savoir faire, pour construire ITER. La Chine, la Corée du Sud, les Etats-Unis, l’Europe (Euratom), l’Inde, le Japon et la Russie financent et contribuent à la réalisation d’ITER qui sera désormais installé et construit à Cadarache en France. ITER est donc un projet international et non un projet français. La construction d’ITER commencera début 2008 et se terminera vers 2012.

         Vu les nombreux avantages de la fusion nucléaire sur les autres énergies, en particulier l’abondance naturelle du combustible utilisé, pourra-elle remplacer le nucléaire à fission ? Avant toute chose, il faut que la fusion, dont fait partie ITER, puisse démontrer que Q peut être supérieur à 40 et que la fusion soit complètement contrôlée pour imaginer qu’elle aura un jour un avenir industriel et commercial. L’énergie de fusion est vraiment une énergie du futur lointain et non une énergie du futur proche.
         Un site avec une animation interactive simplifie très bien l'énergie de fusion. Cliquez ici pour le voir. A ne pas manquer!
         (Sur le site on parle de deux sites voulant accueillir ITER, c'est en 2006 que Cadarache a été choisi et non le site japonais.)






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