Le ratio entre l’énergie d’entrée et l’énergie de sortie est souvent appelé « Q » 
.
Afin d’augmenter Q, nous pouvons faire deux choses :
- Utiliser moins d’énergie
- Produire plus d’énergie
Il se trouve que ces deux choses sont intimement liées. Comme il y a de plus en plus de réactions de fusion (c’est-à-dire, nous produisons plus d’énergie), le plasma se chauffe de plus en plus. Cela signifie que nous n’avons pas besoin de continuer à investir autant d’énergie pour le chauffer . À un moment, il pourrait même continuer sans aucune entrée de chaleur externe !
Au cours des 60 dernières années, les chercheurs ont travaillé sur de nombreuses méthodes différentes pour atteindre le résultat souhaité . Malheureusement, presque tous ces modèles sont bloqués à des valeurs de Q entre 0,0001 et 0,000001 . Cependant, il y a un type (appelé « tokamak ») qui a atteint Q=0,65 .
Voyons comment il fonctionne !
« Tokamak » : le donut de la fusion
Souviens-toi de nos trois problèmes :
- Le plasma doit être chauffé à environ 100 000 000 °C .
- La densité .
- Le confinement du plasma doit durer de quelques secondes à quelques minutes .
Le tokamak satisfait simultanément aux exigences de confinement et de densité en utilisant des champs magnétiques puissants . Ces champs magnétiques forcent les électrons chargés négativement et les noyaux chargés positivement à se déplacer sur une trajectoire ayant la forme d’un donut. Des aimants entourent le plasma, et de ce fait, créent une haute pression qui augmente la densité du plasma .
Respire profondément. Détends-toi et assure-toi d’avoir compris ce dont on a parlé jusqu’à présent. Car maintenant nous allons aborder certains des problèmes sur lesquels les chercheurs en fusion nucléaire travaillent actuellement.
D’où viennent le deutérium et le tritium ?
Le deutérium est abondant et facile à trouver : il se trouve dans l’eau de l’océan . Cependant, la nature ne produit que quelques kilos de tritium chaque année et les « usines de tritium » n’existent pas . Les expériences de fusion d’aujourd’hui l’obtiennent souvent des centrales nucléaires de fission, où le tritium est produit en tant que déchet radioactif . Mais où allons-nous l’obtenir si nous cessons d’utiliser des réacteurs à fission ?
Heureusement, il y a un moyen pour les réacteurs à fusion de générer leur propre tritium . En théorie, nous pourrions réutiliser ce neutron supplémentaire pour faire plus de tritium à partir du deutérium ! La réaction complète utilise le deutérium (1p1n) et le lithium-6 (3p6n) comme intrants pour produire de l’hélium :
L’utilisation du lithium-6 pour produire du tritium introduit en fait plus d’énergie au système . Dans la pratique, ceci est très difficile à faire et constitue l’un des domaines actifs de recherche et d’incertitude dans l’énergie de fusion.
Jusqu’ici, tout va bien. Nous avons du deutérium et du tritium, nous pouvons les chauffer et provoquer la fusion. Mais comment obtenons-nous de l’énergie ?
Souviens-toi, les neutrons n’ont pas de charge. Les champs magnétiques interagissent seulement avec des particules chargées. Ceci veut dire que le champ magnétique, aussi fort soit-il, ne peut pas contenir les neutrons rapides issus des réactions de fusion.
Ces neutrons rapides sont à la fois l’aspect le plus précieux et le plus fastidieux de la fusion. Précieux car c’est de leur vitesse que nous obtenons l’énergie , et fastidieux parce qu’ils endommagent les murs du réacteur . Comment résoudre ce problème ?
Dans le graphique (répété) ci-dessus, tu peux voir une couche appelée couverture entre le plasma et les aimants. Les neutrons rapides sont ralentis à l’intérieur de la couverture et leur énergie cinétique est transférée pour la réchauffer . La couverture chaude, à son tour, est utilisée pour chauffer l’eau, qui fait tourner ensuite une turbine à vapeur (comme le font les centrales de fission nucléaire et les centrales au charbon).
Ceci fonctionne en théorie, mais dans la pratique, il est difficile de construire une couverture efficace et résistante aux dégâts causés par les neutrons rapides .
En dehors des problèmes concernant les couvertures, nous n’avons toujours pas atteint Q > 1. Il y a deux variables particulièrement importantes dans un réacteur de fusion que nous pouvons contrôler pour influencer la quantité d’énergie libérée dans un réacteur à fusion :
- R : Le rayon du tokamak
- B : La puissance du champ magnétique
Alors, quelle taille les réacteurs doivent-ils avoir pour atteindre des valeurs Q raisonnables ? ITER est la plus grande expérience scientifique internationale de tous les temps qui vise à atteindre Q=10. Quelle est la taille du réacteur ITER ?
Peux-tu voir la personne en bas de l’image ? Cette chose est ÉNORME.
En raison de sa taille, ITER a coûté des dizaines de milliards de dollars, et prendra des décennies à construire . Tu te souviens du graphique Q d’avant ? Tu te demandes pourquoi il s’est arrêté ? Maintenant tu le sais ! Les réacteurs sont devenus trop grands, ce qui signifie qu’ils prennent trop de temps pour être construits.
Le nombre sur l’axe des y ici, est ce que l’on appelle le « triple produit de fusion ». C’est un indicateur approximatif de l’énergie qu’un réacteur de fusion produit et est défini comme le produit des trois attributs clés de tout réacteur de fusion :
ITER est une expérience scientifique, pas un réacteur commercial . Un réacteur commercial detruet probablement être encore plus grand . Évidemment, augmenter le rayon (R) n’est pas prometteur. Qu’en est-il de la force du champ magnétique (B) ?
Est-ce que des aimants plus puissants pourraient rendre les réacteurs plus petits et moins chers ?
Activer un champ magnétique nous oblige à faire passer un courant à travers les bobines électromagnétiques du tokamak. Dans la plupart des matériaux, le courant consomme de l’énergie, parce qu’une partie de l’électricité est perdue sous forme de chaleur à cause de la résistance . Cependant, certains matériaux, appelés supraconducteurs, ont la capacité de laisser passer un courant sans perdre de chaleur car il n’y a aucune résistance au courant .
Des travaux récents sur un type d’aimant supraconducteur appelé REBCO (à base d’oxyde de baryum, de cuivre et de terres rares) ont permis de quasi doubler la force du champ magnétique, « B » ! Le facteur limitant est maintenant la durabilité de l’acier et du béton tenant tout ensemble - à pleine puissance, les aimants casseraient le réacteur .
L’utilisation d’aimants REBCO est probablement une étape essentielle sur le chemin vers des réacteurs à fusion abordables avec Q > 1 .
Fait important : ITER utilise toujours les vieux supraconducteurs plus fragiles .
Conclusion
La fusion a toujours été une « technologie du futur », mais nous nous approchons truement de Q=1 .
Les entreprises privées et les laboratoires universitaires travaillent actuellement à l’intégration des aimants REBCO dans les réacteurs de fusion Tokamak . Leur progrès sera un indicateur déterminant pour le potentiel de la fusion , mais obtenir Q > 1 n’est pas le seul problème de la recherche dans le domaine de la fusion.
Il y a beaucoup de problématiques non résolues dans la technologie de la couverture, la production de tritium et la protection des réacteurs . Néanmoins, dans les décennies à venir, nous verrons probablement si la fusion peut être la source d’énergie propre et abondante que nous espérons qu’elle deviendra.
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