Comment tout cela a-t-il commencé? Le « défi énergétique » est né de la combinaison des trois facteurs suivants :

1. L’humanité consomme désormais une énorme quantité d’énergie.

Actuellement, la consommation énergétique mondiale est d'environ 15,7 térawatts (TW). En divisant cette valeur par la population mondiale, nous obtenons environ 2 400 watts par personne, ce qui peut être facilement estimé et visualisé. L'énergie consommée par chaque habitant de la Terre (y compris les enfants) correspond au fonctionnement 24 heures sur 24 de lampes électriques de cent watts. Cependant, la consommation de cette énergie à travers la planète est très inégale, car elle est très importante dans plusieurs pays et négligeable dans d’autres. La consommation (par personne) est égale à 10,3 kW aux États-Unis (une des valeurs records), à 6,3 kW en Fédération de Russie, à 5,1 kW au Royaume-Uni, etc., mais en revanche, elle est égale seulement 0,21 kW au Bangladesh (seulement 2 % de la consommation énergétique américaine !).

2. La consommation mondiale d’énergie augmente considérablement.

Selon les prévisions de l’Agence internationale de l’énergie (2006), la consommation mondiale d’énergie devrait augmenter de 50 % d’ici 2030. Les pays développés pourraient, bien sûr, très bien se passer d’énergie supplémentaire, mais cette croissance est nécessaire pour sortir les populations de la pauvreté dans les pays en développement, où 1,5 milliard de personnes souffrent de graves pénuries d’électricité.

3. Actuellement, 80 % de l'énergie mondiale provient de la combustion de combustibles fossiles (pétrole, charbon et gaz), dont l'utilisation :
a) présente potentiellement un risque de changements environnementaux catastrophiques ;
b) doit inévitablement se terminer un jour.

D'après ce qui a été dit, il est clair que nous devons désormais nous préparer à la fin de l'ère de l'utilisation des combustibles fossiles.

Actuellement, les centrales nucléaires produisent à grande échelle l’énergie libérée lors des réactions de fission des noyaux atomiques. La création et le développement de telles centrales doivent être encouragés par tous les moyens possibles, mais il faut tenir compte du fait que les réserves de l'un des matériaux les plus importants pour leur fonctionnement (l'uranium bon marché) peuvent également être complètement épuisées au cours des 50 prochaines années. . Les possibilités de l’énergie nucléaire basée sur la fission peuvent (et devraient) être considérablement élargies grâce à l’utilisation de cycles énergétiques plus efficaces, permettant de presque doubler la quantité d’énergie produite. Pour développer l'énergie dans cette direction, il est nécessaire de créer des réacteurs à thorium (appelés réacteurs surgénérateurs de thorium ou réacteurs surgénérateurs), dans lesquels la réaction produit plus de thorium que l'uranium d'origine, de sorte que la quantité totale d'énergie produite pour une quantité donnée de substance, elle est multipliée par 40. Il semble également prometteur de créer des surgénérateurs de plutonium utilisant des neutrons rapides, bien plus efficaces que les réacteurs à uranium et capables de produire 60 fois plus d'énergie. Il se peut que pour développer ces zones, il soit nécessaire de développer de nouvelles méthodes non standards d'obtention de l'uranium (par exemple à partir de l'eau de mer, qui semble être la plus accessible).

Centrales électriques à fusion

La figure montre un diagramme schématique (pas à l'échelle) du dispositif et du principe de fonctionnement d'une centrale thermonucléaire. Dans la partie centrale se trouve une chambre toroïdale (en forme de beignet) d'un volume d'environ 2 000 m3, remplie de plasma tritium-deutérium (T-D) chauffé à une température supérieure à 100 M°C. Les neutrons produits lors de la réaction de fusion (1) sortent de la « bouteille magnétique » et pénètrent dans la coque représentée sur la figure d'une épaisseur d'environ 1 m.

À l’intérieur de la coquille, les neutrons entrent en collision avec des atomes de lithium, entraînant une réaction qui produit du tritium :

neutron + lithium → hélium + tritium

De plus, des réactions concurrentes se produisent dans le système (sans formation de tritium), ainsi que de nombreuses réactions avec libération de neutrons supplémentaires, qui conduisent alors également à la formation de tritium (dans ce cas, la libération de neutrons supplémentaires peut être considérablement amélioré, par exemple, en introduisant des atomes de béryllium dans la coque et du plomb). La conclusion générale est que cette installation pourrait (du moins en théorie) subir une réaction de fusion nucléaire qui produirait du tritium. Dans ce cas, la quantité de tritium produite devrait non seulement répondre aux besoins de l'installation elle-même, mais aussi être encore un peu plus importante, ce qui permettra d'alimenter de nouvelles installations en tritium. C'est ce concept de fonctionnement qui doit être testé et mis en œuvre dans le réacteur ITER décrit ci-dessous.

De plus, les neutrons doivent chauffer la coque dans des installations dites pilotes (dans lesquelles des matériaux de construction relativement « ordinaires » seront utilisés) à environ 400°C. À l'avenir, il est prévu de créer des installations améliorées avec une température de chauffage de la coque supérieure à 1 000 °C, ce qui pourra être obtenu grâce à l'utilisation des derniers matériaux à haute résistance (tels que les composites en carbure de silicium). La chaleur générée dans la calandre, comme dans les stations classiques, est captée par le circuit de refroidissement primaire avec un liquide de refroidissement (contenant par exemple de l'eau ou de l'hélium) et transférée au circuit secondaire, où de la vapeur d'eau est produite et fournie aux turbines.

1985 - L'Union soviétique propose la centrale Tokamak de nouvelle génération, en s'appuyant sur l'expérience de quatre pays leaders dans la création de réacteurs à fusion. Les États-Unis d'Amérique, le Japon et la Communauté européenne ont présenté une proposition pour la mise en œuvre du projet.

Actuellement, en France, est en construction le réacteur thermonucléaire expérimental international ITER (International Tokamak Experimental Reactor), décrit ci-dessous, qui sera le premier tokamak capable « d'enflammer » du plasma.

Les installations tokamak existantes les plus avancées ont depuis longtemps atteint des températures de l'ordre de 150 M°C, proches des valeurs requises pour le fonctionnement d'une station de fusion, mais le réacteur ITER devrait être la première centrale électrique à grande échelle conçue pour longtemps -opération à terme. A l'avenir, il faudra améliorer significativement ses paramètres de fonctionnement, ce qui nécessitera tout d'abord d'augmenter la pression dans le plasma, puisque la vitesse de fusion nucléaire à une température donnée est proportionnelle au carré de la pression. Le principal problème scientifique dans ce cas est lié au fait que lorsque la pression dans le plasma augmente, des instabilités très complexes et dangereuses apparaissent, c'est-à-dire des modes de fonctionnement instables.

Pourquoi avons nous besoin de ça?

Le principal avantage de la fusion nucléaire est qu’elle ne nécessite que de très petites quantités de substances très courantes dans la nature comme combustible. La réaction de fusion nucléaire dans les installations décrites peut conduire à la libération d'énormes quantités d'énergie, dix millions de fois supérieures à la chaleur standard dégagée lors des réactions chimiques conventionnelles (telles que la combustion de combustibles fossiles). A titre de comparaison, rappelons que la quantité de charbon nécessaire pour alimenter une centrale thermique d'une capacité de 1 gigawatt (GW) est de 10 000 tonnes par jour (dix wagons), et qu'une centrale à fusion de même puissance ne consommera qu'environ 1 kilogramme du mélange D+T par jour .

Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène ; Dans environ une molécule d’eau ordinaire sur 3 350, l’un des atomes d’hydrogène est remplacé par du deutérium (un héritage du Big Bang). Ce fait facilite l'organisation d'une production relativement bon marché de la quantité requise de deutérium à partir de l'eau. Il est plus difficile d'obtenir du tritium, qui est instable (demi-vie est d'environ 12 ans, de sorte que sa teneur dans la nature est négligeable), cependant, comme indiqué ci-dessus, le tritium apparaîtra directement à l'intérieur de l'installation thermonucléaire pendant le fonctionnement, en raison de la réaction des neutrons avec le lithium.

Ainsi, le combustible initial d’un réacteur à fusion est le lithium et l’eau. Le lithium est un métal courant largement utilisé dans les appareils électroménagers (batteries de téléphones portables, etc.). L'installation décrite ci-dessus, même en tenant compte d'un rendement non idéal, sera capable de produire 200 000 kWh d'énergie électrique, ce qui équivaut à l'énergie contenue dans 70 tonnes de charbon. La quantité de lithium nécessaire à cet effet est contenue dans une batterie d'ordinateur et la quantité de deutérium est contenue dans 45 litres d'eau. La valeur ci-dessus correspond à la consommation électrique actuelle (calculée par personne) dans les pays de l'UE sur 30 ans. Le fait même qu'une quantité aussi insignifiante de lithium puisse assurer la production d'une telle quantité d'électricité (sans émissions de CO2 et sans la moindre pollution atmosphérique) est un argument assez sérieux en faveur du développement le plus rapide et le plus vigoureux de l'énergie thermonucléaire (malgré tous les difficultés et problèmes) et même sans confiance à cent pour cent dans le succès d'une telle recherche.

Le deutérium devrait durer des millions d'années et les réserves de lithium, facilement exploitables, sont suffisantes pour répondre aux besoins pendant des centaines d'années. Même si le lithium des roches vient à manquer, nous pouvons l’extraire de l’eau, où il se trouve à des concentrations suffisamment élevées (100 fois la concentration de l’uranium) pour rendre son extraction économiquement viable.

Un réacteur thermonucléaire expérimental (Réacteur thermonucléaire expérimental international) est en cours de construction près de la ville de Cadarache en France. L'objectif principal du projet ITER est de mettre en œuvre une réaction de fusion thermonucléaire contrôlée à l'échelle industrielle.

Par unité de poids de combustible thermonucléaire, on obtient environ 10 millions de fois plus d'énergie qu'en brûlant la même quantité de combustible organique, et environ cent fois plus qu'en divisant les noyaux d'uranium dans les réacteurs des centrales nucléaires actuellement en activité. Si les calculs des scientifiques et des concepteurs se réalisent, cela donnera à l'humanité une source d'énergie inépuisable.

Par conséquent, un certain nombre de pays (Russie, Inde, Chine, Corée, Kazakhstan, États-Unis, Canada, Japon, pays de l'Union européenne) ont uni leurs forces pour créer le réacteur thermonucléaire international de recherche, un prototype de nouvelles centrales électriques.

ITER est une installation qui crée les conditions nécessaires à la synthèse d'atomes d'hydrogène et de tritium (un isotope de l'hydrogène), aboutissant à la formation d'un nouvel atome, l'atome d'hélium. Ce processus s’accompagne d’une énorme explosion d’énergie : la température du plasma dans lequel se produit la réaction thermonucléaire est d’environ 150 millions de degrés Celsius (à titre de comparaison, la température du noyau du Soleil est de 40 millions de degrés). Dans ce cas, les isotopes brûlent, ne laissant pratiquement aucun déchet radioactif.
Le schéma de participation au projet international prévoit la fourniture des composants du réacteur et le financement de sa construction. En échange de cela, chacun des pays participants bénéficie d'un accès complet à toutes les technologies permettant de créer un réacteur thermonucléaire et aux résultats de tous les travaux expérimentaux sur ce réacteur, qui serviront de base à la conception de réacteurs thermonucléaires de puissance en série.

Le réacteur, basé sur le principe de la fusion thermonucléaire, ne produit aucun rayonnement radioactif et est totalement sans danger pour l'environnement. Il peut être situé presque n’importe où dans le monde et son combustible est de l’eau ordinaire. La construction d'ITER devrait durer environ dix ans, après quoi le réacteur devrait être utilisé pendant 20 ans.

Les intérêts de la Russie au Conseil de l'Organisation internationale pour la construction du réacteur thermonucléaire ITER seront représentés dans les années à venir par le membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie Mikhaïl Kovalchuk, directeur de l'Institut Kurchatov, de l'Institut de cristallographie de l'Académie des sciences de Russie. Secrétaire scientifique et scientifique du Conseil présidentiel pour la science, la technologie et l'éducation. Kovalchuk remplacera temporairement à ce poste l'académicien Evgeniy Velikhov, qui a été élu président du Conseil international d'ITER pour les deux prochaines années et n'a pas le droit de combiner ce poste avec les fonctions de représentant officiel d'un pays participant.

Le coût total de la construction est estimé à 5 milliards d'euros, et le même montant sera nécessaire pour l'essai d'exploitation du réacteur. Les actions de l'Inde, de la Chine, de la Corée, de la Russie, des États-Unis et du Japon représentent chacune environ 10 pour cent de la valeur totale, dont 45 pour cent proviennent des pays de l'Union européenne. Cependant, les États européens ne se sont pas encore mis d’accord sur la manière exacte dont les coûts seront répartis entre eux. Pour cette raison, le début des travaux a été reporté à avril 2010. Malgré le dernier retard, les scientifiques et les responsables impliqués dans ITER affirment qu'ils seront en mesure d'achever le projet d'ici 2018.

La puissance thermonucléaire estimée d’ITER est de 500 mégawatts. Les pièces individuelles des aimants atteignent un poids de 200 à 450 tonnes. Pour refroidir ITER, il faudra 33 000 mètres cubes d'eau par jour.

En 1998, les États-Unis ont cessé de financer leur participation au projet. Après l’arrivée au pouvoir des Républicains et le début des pannes d’électricité en Californie, l’administration Bush a annoncé une augmentation des investissements dans l’énergie. Les États-Unis n’avaient pas l’intention de participer au projet international et étaient engagés dans leur propre projet thermonucléaire. Début 2002, le conseiller technologique du président Bush, John Marburger III, a déclaré que les États-Unis avaient changé d'avis et avaient l'intention de revenir sur le projet.

En termes de nombre de participants, le projet est comparable à un autre grand projet scientifique international : la Station spatiale internationale. Le coût d'ITER, qui atteignait auparavant 8 milliards de dollars, s'élevait alors à moins de 4 milliards. À la suite du retrait des États-Unis de la participation, il a été décidé de réduire la puissance du réacteur de 1,5 GW à 500 MW. En conséquence, le prix du projet a également diminué.

En juin 2002, le colloque « ITER Days in Moscou » s'est tenu dans la capitale russe. Il a discuté des problèmes théoriques, pratiques et organisationnels liés à la relance du projet, dont le succès peut changer le destin de l'humanité et lui donner un nouveau type d'énergie, comparable en efficacité et en économie uniquement à l'énergie du Soleil.

En juillet 2010, les représentants des pays participant au projet international de réacteur thermonucléaire ITER ont approuvé son budget et son calendrier de construction lors d'une réunion extraordinaire tenue à Cadarache, en France. .

Lors de la dernière réunion extraordinaire, les participants au projet ont approuvé la date de début des premières expériences avec le plasma - 2019. Des expériences complètes sont prévues pour mars 2027, bien que la direction du projet ait demandé à des spécialistes techniques d'essayer d'optimiser le processus et de commencer les expériences en 2026. Les participants à la réunion ont également décidé des coûts de construction du réacteur, mais les montants prévus pour la création de l'installation n'ont pas été divulgués. Selon les informations reçues par l'éditeur du portail ScienceNOW de source anonyme, au moment du début des expériences, le coût du projet ITER pourrait atteindre 16 milliards d'euros.

La réunion de Cadarache a également marqué le premier jour de travail officiel du nouveau directeur du projet, le physicien japonais Osamu Motojima. Avant lui, le projet était dirigé depuis 2005 par le Japonais Kaname Ikeda, qui souhaitait quitter son poste immédiatement après l'approbation du budget et des délais de construction.

Le réacteur à fusion ITER est un projet conjoint de l'Union européenne, de la Suisse, du Japon, des États-Unis, de la Russie, de la Corée du Sud, de la Chine et de l'Inde. L'idée de créer ITER est à l'étude depuis les années 80 du siècle dernier, cependant, en raison de difficultés financières et techniques, le coût du projet ne cesse de croître et la date de début de la construction est constamment reportée. En 2009, les experts s'attendaient à ce que les travaux de création du réacteur commencent en 2010. Plus tard, cette date a été déplacée et d'abord 2018, puis 2019 ont été désignées comme date de lancement du réacteur.

Les réactions de fusion thermonucléaire sont des réactions de fusion de noyaux d'isotopes légers pour former un noyau plus lourd, qui s'accompagnent d'une énorme libération d'énergie. En théorie, les réacteurs à fusion peuvent produire beaucoup d’énergie à faible coût, mais à l’heure actuelle, les scientifiques dépensent beaucoup plus d’énergie et d’argent pour démarrer et entretenir la réaction de fusion.

La fusion thermonucléaire est un moyen peu coûteux et écologique de produire de l’énergie. Une fusion thermonucléaire incontrôlée se produit sur le Soleil depuis des milliards d'années : l'hélium est formé à partir de l'isotope lourd de l'hydrogène, le deutérium. Cela libère une quantité colossale d’énergie. Cependant, les humains sur Terre n’ont pas encore appris à contrôler de telles réactions.

Le réacteur ITER utilisera des isotopes d'hydrogène comme combustible. Lors d’une réaction thermonucléaire, de l’énergie est libérée lorsque des atomes légers se combinent en atomes plus lourds. Pour y parvenir, le gaz doit être chauffé à une température de plus de 100 millions de degrés, soit bien plus élevée que la température au centre du Soleil. Le gaz à cette température se transforme en plasma. Dans le même temps, les atomes d'isotopes d'hydrogène fusionnent et se transforment en atomes d'hélium avec libération d'un grand nombre de neutrons. Une centrale électrique fonctionnant selon ce principe utilisera l'énergie de neutrons ralentis par une couche de matériau dense (lithium).

Pourquoi la création d'installations thermonucléaires a-t-elle pris autant de temps ?

Pourquoi des installations aussi importantes et précieuses, dont les avantages sont discutés depuis près d'un demi-siècle, n'ont-elles pas encore été créées ? Il existe trois raisons principales (discutées ci-dessous), dont la première peut être qualifiée d'externe ou sociale, et les deux autres - internes, c'est-à-dire déterminées par les lois et les conditions de développement de l'énergie thermonucléaire elle-même.

1. Pendant longtemps, on a cru que le problème de l'utilisation pratique de l'énergie de fusion thermonucléaire n'exigeait pas de décisions et d'actions urgentes, puisque dans les années 80 du siècle dernier, les sources de combustibles fossiles semblaient inépuisables, et les problèmes environnementaux et le changement climatique le faisaient. ne concerne pas le public. En 1976, le Comité consultatif sur l'énergie de fusion du Département américain de l'énergie a tenté d'estimer le calendrier de la R&D et d'une centrale électrique à fusion de démonstration selon diverses options de financement de la recherche. Dans le même temps, il a été découvert que le volume du financement annuel de la recherche dans ce sens est totalement insuffisant, et si le niveau de crédits existant est maintenu, la création d'installations thermonucléaires ne réussira jamais, puisque les fonds alloués ne correspondent pas même au niveau minimum et critique.

2. Un obstacle plus sérieux au développement de la recherche dans ce domaine est qu'une installation thermonucléaire du type en question ne peut être créée et démontrée à petite échelle. A partir des explications présentées ci-dessous, il apparaîtra clairement que la fusion thermonucléaire nécessite non seulement un confinement magnétique du plasma, mais également un échauffement suffisant de celui-ci. Le rapport entre l'énergie dépensée et reçue augmente au moins proportionnellement au carré des dimensions linéaires de l'installation, de sorte que les capacités scientifiques et techniques et les avantages des installations thermonucléaires ne peuvent être testés et démontrés que dans des stations assez grandes, telles comme le réacteur ITER mentionné. La société n’était tout simplement pas prête à financer des projets d’une telle envergure tant qu’elle n’avait pas suffisamment confiance dans leur réussite.

3. Le développement de l'énergie thermonucléaire a cependant été très complexe (malgré un financement insuffisant et des difficultés de sélection des centres pour la création des installations JET et ITER), de nets progrès ont été observés ces dernières années, même si une station d'exploitation n'a pas encore été créée.

Le monde moderne est confronté à un défi énergétique très grave, que l’on peut plus précisément qualifier de « crise énergétique incertaine ». Le problème est lié au fait que les réserves de combustibles fossiles pourraient s’épuiser dans la seconde moitié de ce siècle. De plus, la combustion de combustibles fossiles peut nécessiter d’une manière ou d’une autre de séquestrer et de « stocker » le dioxyde de carbone rejeté dans l’atmosphère (le programme CSC mentionné ci-dessus) pour éviter des changements majeurs dans le climat de la planète.

Actuellement, presque toute l'énergie consommée par l'humanité est créée par la combustion de combustibles fossiles, et la solution au problème peut être associée à l'utilisation de l'énergie solaire ou de l'énergie nucléaire (création de réacteurs surgénérateurs rapides, etc.). Le problème mondial posé par la croissance démographique des pays en développement et leur nécessité d'améliorer leur niveau de vie et d'augmenter la quantité d'énergie produite ne peut être résolu sur la seule base de ces approches, même si, bien entendu, toute tentative visant à développer des méthodes alternatives de production d'énergie devrait être encouragé.

À proprement parler, le choix des stratégies comportementales est restreint et le développement de l'énergie thermonucléaire est extrêmement important, même en l'absence de garantie de succès. Le journal Financial Times (daté du 25 janvier 2004) a écrit à ce sujet :

Espérons qu'il n'y aura pas de surprises majeures et inattendues sur le chemin du développement de l'énergie thermonucléaire. Dans ce cas, dans environ 30 ans, nous pourrons pour la première fois alimenter en courant électrique les réseaux énergétiques, et dans un peu plus de 10 ans, la première centrale thermonucléaire commerciale commencera à fonctionner. Il est possible que dans la seconde moitié de ce siècle, l’énergie de fusion nucléaire commence à remplacer les combustibles fossiles et commence progressivement à jouer un rôle de plus en plus important dans la fourniture d’énergie à l’humanité à l’échelle mondiale.

Il n'y a aucune garantie absolue que la tâche consistant à créer de l'énergie thermonucléaire (en tant que source d'énergie efficace et à grande échelle pour toute l'humanité) sera menée à bien, mais la probabilité de succès dans cette direction est assez élevée. Compte tenu de l’énorme potentiel des centrales thermonucléaires, tous les coûts liés aux projets visant à leur développement rapide (voire accéléré) peuvent être considérés comme justifiés, d’autant plus que ces investissements semblent très modestes dans le contexte du monstrueux marché mondial de l’énergie (4 000 milliards de dollars par an8). Répondre aux besoins énergétiques de l'humanité est un problème très grave. Alors que les combustibles fossiles deviennent de moins en moins disponibles (et que leur utilisation devient indésirable), la situation évolue et nous ne pouvons tout simplement pas nous permettre de ne pas développer l’énergie de fusion.

A la question « Quand apparaîtra l’énergie thermonucléaire ? Lev Artsimovich (un pionnier reconnu et leader de la recherche dans ce domaine) a répondu un jour qu'« il sera créé lorsqu'il deviendra vraiment nécessaire pour l'humanité ».

ITER sera le premier réacteur à fusion à produire plus d'énergie qu'il n'en consomme. Les scientifiques mesurent cette caractéristique à l’aide d’un simple coefficient qu’ils appellent « Q ». Si ITER atteint tous ses objectifs scientifiques, il produira 10 fois plus d’énergie qu’il n’en consomme. Le dernier dispositif construit, le Joint European Torus en Angleterre, est un prototype de réacteur à fusion plus petit qui, dans ses dernières étapes de recherche scientifique, a atteint une valeur Q de près de 1. Cela signifie qu'il a produit exactement la même quantité d'énergie qu'il a consommé. . ITER ira plus loin en démontrant la création d'énergie à partir de la fusion et en atteignant une valeur Q de 10. L'idée est de générer 500 MW à partir d'une consommation d'énergie d'environ 50 MW. Ainsi, l’un des objectifs scientifiques d’ITER est de prouver qu’une valeur Q de 10 peut être atteinte.

Un autre objectif scientifique est qu'ITER ait un temps de « combustion » très long – une impulsion d'une durée prolongée jusqu'à une heure. ITER est un réacteur expérimental de recherche qui ne peut pas produire d'énergie en continu. Lorsqu’ITER commencera à fonctionner, il restera allumé pendant une heure, après quoi il devra être éteint. Ceci est important car jusqu'à présent, les appareils typiques que nous avons créés étaient capables d'avoir une durée de combustion de plusieurs secondes, voire dixièmes de seconde - c'est le maximum. Le « Joint European Torus » a atteint sa valeur Q de 1 avec une durée de combustion d'environ deux secondes et une durée d'impulsion de 20 secondes. Mais un processus qui dure quelques secondes n’est pas vraiment permanent. Par analogie avec le démarrage d’un moteur de voiture : allumer brièvement le moteur puis l’éteindre n’est pas encore un véritable fonctionnement de la voiture. Ce n'est que lorsque vous conduisez votre voiture pendant une demi-heure qu'elle atteint un mode de fonctionnement constant et démontre qu'une telle voiture peut réellement être conduite.

Autrement dit, d'un point de vue technique et scientifique, ITER offrira une valeur Q de 10 et une durée de combustion accrue.

Le programme de fusion thermonucléaire est véritablement international et de grande envergure. Les gens comptent déjà sur le succès d'ITER et réfléchissent à la prochaine étape : créer un prototype de réacteur thermonucléaire industriel appelé DEMO. Pour le construire, ITER doit fonctionner. Nous devons atteindre nos objectifs scientifiques car cela signifie que les idées que nous avançons sont tout à fait réalisables. Cependant, je suis d’accord que vous devriez toujours penser à ce qui va suivre. De plus, au fur et à mesure qu'ITER fonctionnera pendant 25 à 30 ans, nos connaissances s'approfondiront et s'élargiront progressivement, et nous serons en mesure de définir plus précisément notre prochaine étape.

En effet, il n’y a aucun débat sur la question de savoir si ITER doit être un tokamak. Certains scientifiques posent la question tout autrement : ITER devrait-il exister ? Des experts de différents pays, développant leurs propres projets thermonucléaires à petite échelle, soutiennent qu'un réacteur d'une telle taille n'est pas du tout nécessaire.

Cependant, leur opinion ne devrait guère être considérée comme faisant autorité. Des physiciens travaillant avec des pièges toroïdaux depuis plusieurs décennies ont participé à la création d'ITER. La conception du réacteur thermonucléaire expérimental de Karadash était basée sur toutes les connaissances acquises lors d'expériences sur des dizaines de tokamaks précédents. Et ces résultats indiquent que le réacteur doit être un tokamak, et de surcroît de grande taille.

JET À l'heure actuelle, le tokamak le plus performant peut être considéré comme le JET, construit par l'UE dans la ville britannique d'Abingdon. Il s'agit du plus grand réacteur de type tokamak créé à ce jour, le grand rayon du tore plasma est de 2,96 mètres. La puissance de la réaction thermonucléaire a déjà atteint plus de 20 mégawatts avec un temps de rétention allant jusqu'à 10 secondes. Le réacteur restitue environ 40 % de l'énergie mise dans le plasma.

C'est la physique du plasma qui détermine le bilan énergétique », a déclaré Igor Semenov à Infox.ru. Le professeur agrégé du MIPT a décrit ce qu'est le bilan énergétique avec un exemple simple : « Nous avons tous vu un incendie brûler. En fait, ce n’est pas du bois qui y brûle, mais du gaz. La chaîne énergétique y est la suivante : le gaz brûle, le bois chauffe, le bois s'évapore, le gaz brûle à nouveau. Par conséquent, si nous jetons de l'eau sur un feu, nous retirerons brusquement de l'énergie au système pour la transition de phase de l'eau liquide à l'état vapeur. Le bilan deviendra négatif et le feu s’éteindra. Il existe un autre moyen : nous pouvons simplement prendre les tisons et les répandre dans l'espace. Le feu s'éteindra également. C’est la même chose dans le réacteur thermonucléaire que nous construisons. Les dimensions sont choisies pour créer un bilan énergétique positif approprié pour ce réacteur. Suffisant pour construire dans le futur une véritable centrale nucléaire, résolvant à ce stade expérimental tous les problèmes qui restent actuellement en suspens.»

Les dimensions du réacteur ont été modifiées une fois. Cela s'est produit au tournant des XXe et XXIe siècles, lorsque les États-Unis se sont retirés du projet et que les membres restants ont réalisé que le budget d'ITER (à l'époque estimé à 10 milliards de dollars américains) était trop important. Il a fallu faire appel à des physiciens et des ingénieurs pour réduire le coût d'installation. Et cela ne pouvait se faire qu’en raison de la taille. La « refonte » d'ITER a été dirigée par le physicien français Robert Aymar, qui a précédemment travaillé sur le tokamak français Tore Supra à Karadash. Le rayon extérieur du tore de plasma a été réduit de 8,2 à 6,3 mètres. Cependant, les risques liés à la réduction de taille ont été en partie compensés par plusieurs aimants supraconducteurs supplémentaires, qui ont permis de mettre en œuvre le mode de confinement du plasma, alors ouvert et étudié.

Pessimistes :

« Vous pouvez comparer cela au communisme. Il y a plus de problèmes dans ce domaine que de solutions évidentes... » ;

"C'est l'un des sujets de prédilection pour écrire des articles futuristes sur un avenir radieux..."

Optimistes :

"Cela se produira parce que tout ce qui est incroyable s'est avéré soit initialement impossible, soit quelque chose dont le progrès était un facteur critique pour le développement de la technologie...";

« L’énergie thermonucléaire est, les gars, notre avenir inévitable, et il n’y a pas d’échappatoire possible… »

Définissons les termes

– Qu’est-ce que la fusion thermonucléaire contrôlée ?

Elena Koresheva: La fusion thermonucléaire contrôlée (CTF) est un domaine de recherche dont le but est l'utilisation industrielle de l'énergie des réactions de fusion thermonucléaire des éléments légers.

Les scientifiques du monde entier ont commencé ces recherches lorsque la fusion thermonucléaire dans sa phase incontrôlée a été démontrée lors de l'explosion de la première bombe à hydrogène au monde près de Semipalatinsk. Le projet d'une telle bombe a été développé en URSS en 1949 par Andrei Sakharov et Vitaly Ginzburg, futurs lauréats du prix Nobel de l'Institut de physique Lebedev. P. N. Lebedev de l'Académie des sciences de l'URSS, et le 5 mai 1951, un décret du Conseil des ministres de l'URSS a été publié sur le développement des travaux sur le programme thermonucléaire sous la direction de I. V. Kurchatov.

Contrairement à une bombe nucléaire, dont l'explosion libère de l'énergie suite à la fission du noyau atomique, une réaction thermonucléaire se produit dans une bombe à hydrogène dont l'énergie principale est libérée lors de la combustion d'un isotope lourd de l'hydrogène - le deutérium.

Les conditions nécessaires au démarrage d’une réaction thermonucléaire – haute température (~ 100 millions de °C) et densité de combustible élevée – dans une bombe à hydrogène sont obtenues en faisant exploser un fusible nucléaire de petite taille.

Pour réaliser les mêmes conditions en laboratoire, c'est-à-dire passer d'une fusion thermonucléaire incontrôlée à une fusion contrôlée, les scientifiques du FIAN, l'académicien N. G. Basov, lauréat du prix Nobel en 1964, et l'académicien O. N. Krokhin ont proposé d'utiliser le rayonnement laser. C'était alors, en 1964, à l'Institut de Physique. P. N. Lebedev, puis dans d'autres centres scientifiques de notre pays, ont commencé des recherches sur le CTS dans le domaine du confinement inertiel du plasma. Cette direction est appelée fusion thermonucléaire inertielle, ou ITS.

La cible combustible classique utilisée dans les expériences ITS est un système de couches sphériques imbriquées, dont la version la plus simple est une coque externe en polymère et une couche de combustible cryogénique formée sur sa surface interne. L'idée de base de l'ITS est de comprimer cinq milligrammes d'une cible de carburant sphérique à des densités qui sont plus de mille fois supérieures à la densité d'un solide.

La compression est effectuée par l'enveloppe extérieure de la cible, dont la substance, s'évaporant intensément sous l'influence de faisceaux laser surpuissants ou de faisceaux d'ions à haute énergie, crée un recul réactif. La partie non évaporée de la coque, comme un piston puissant, comprime le carburant situé à l'intérieur de la cible, et au moment de la compression maximale, l'onde de choc convergente augmente tellement la température au centre du carburant comprimé que la combustion thermonucléaire commence .

On suppose que les cibles seront injectées dans la chambre du réacteur ITS à une fréquence de 1 à 15 Hz pour assurer leur irradiation continue et, par conséquent, une séquence continue de microexplosions thermonucléaires fournissant de l'énergie. Cela rappelle le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, seulement dans ce processus, nous pouvons obtenir plusieurs ordres de grandeur d'énergie en plus.

Une autre approche du CTS est associée au confinement magnétique du plasma. Cette direction est appelée fusion thermonucléaire magnétique (MTF). Les recherches dans ce sens ont commencé dix ans plus tôt, au début des années 1950. Institut nommé d'après I. V. Kurchatova est une pionnière de cette recherche dans notre pays.

– Quel est le but ultime de ces études ?

Vladimir Nikolaïev: L'objectif ultime est l'utilisation de réactions thermonucléaires dans la production d'énergie électrique et thermique dans des installations de production modernes de haute technologie et respectueuses de l'environnement qui utilisent des ressources énergétiques pratiquement inépuisables - les centrales thermonucléaires inertielles. Ce nouveau type de centrale devrait, à terme, remplacer les centrales thermiques (TPP), ainsi que les centrales nucléaires (NPP), que nous connaissons bien, utilisant des combustibles à base d'hydrocarbures (gaz, charbon, fioul). Quand est-ce que cela arrivera ? Selon l'académicien L.A. Artsimovich, l'un des dirigeants de la recherche CTS dans notre pays, l'énergie thermonucléaire sera créée lorsqu'elle deviendra vraiment nécessaire à l'humanité. Ce besoin devient de plus en plus urgent chaque année, et pour les raisons suivantes :

1. Selon les prévisions faites en 2011 par l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la consommation annuelle mondiale d'électricité entre 2009 et 2035 augmentera de plus de 1,8 fois - passant de 17 200 TWh par an à plus de 31 700 TWh par an, avec une croissance annuelle taux de 2,4 pour cent.

2. Les mesures prises par l'humanité visant à économiser l'énergie, l'utilisation de divers types de technologies d'économie d'énergie dans la production et à la maison, ne donnent hélas pas de résultats tangibles.

3. Plus de 80 pour cent de la consommation énergétique mondiale provient désormais de la combustion de combustibles fossiles – pétrole, charbon et gaz naturel. L'épuisement prévu des réserves de ce combustible fossile d'ici cinquante à cent ans, ainsi que la localisation inégale des gisements de ces fossiles, l'éloignement de ces gisements des centrales électriques, nécessitant des coûts supplémentaires pour le transport des ressources énergétiques, la nécessité dans certains cas d'engager des coûts supplémentaires très importants pour l'enrichissement et la préparation du combustible à brûler.

4. Le développement de sources d'énergie renouvelables basées sur l'énergie solaire, l'énergie éolienne, l'hydroélectricité et le biogaz (actuellement ces sources représentent environ 13 à 15 pour cent de l'énergie consommée dans le monde) est limité par des facteurs tels que la dépendance aux caractéristiques climatiques de la région. emplacement de la centrale électrique, dépendance à la période de l'année et même à l'heure de la journée. Il faut également y ajouter les capacités nominales relativement faibles des éoliennes et des centrales solaires, la nécessité d'allouer de grandes surfaces aux parcs éoliens, l'instabilité des modes de fonctionnement des centrales éoliennes et solaires, qui crée des difficultés techniques pour intégrer ces installations dans le mode de fonctionnement du système électrique, etc.

– Quelles sont les prévisions pour l’avenir ?

Vladimir Nikolaïev: Le principal candidat pour une position de leader dans le secteur énergétique du futur est l'énergie nucléaire - l'énergie des centrales nucléaires et l'énergie de la fusion thermonucléaire contrôlée. Si actuellement environ 18 % de l’énergie consommée en Russie provient des centrales nucléaires, la fusion thermonucléaire contrôlée n’a pas encore été mise en œuvre à l’échelle industrielle. Une solution efficace à l'utilisation pratique du CTS vous permettra de maîtriser une source d'énergie respectueuse de l'environnement, sûre et pratiquement inépuisable.

Où est la véritable expérience de mise en œuvre ?

– Pourquoi TTS attend-il si longtemps pour sa mise en œuvre ? Après tout, les premiers travaux dans ce sens ont été réalisés par Kurchatov dans les années 1950 ?

Vladimir Nikolaïev: Pendant longtemps, on a généralement cru que le problème de l'utilisation pratique de l'énergie de fusion thermonucléaire ne nécessitait pas de solutions urgentes, puisque dans les années 80 du siècle dernier, les sources de combustibles fossiles semblaient inépuisables et les problèmes environnementaux et le changement climatique étaient pas aussi urgent qu’aujourd’hui.

De plus, la maîtrise du problème du CTS nécessitait initialement le développement de directions scientifiques complètement nouvelles - physique des plasmas à haute température, physique des densités d'énergie ultra-élevées, physique des pressions anormales. Cela a nécessité le développement de la technologie informatique et le développement d'un certain nombre de modèles mathématiques du comportement de la matière lors du démarrage de réactions thermonucléaires. Pour vérifier les résultats théoriques, il a fallu réaliser une percée technologique dans la création de lasers, de sources ioniques et électroniques, de microcibles combustibles, d'équipements de diagnostic, ainsi que de créer des installations laser et ioniques à grande échelle.

Et ces efforts n’ont pas été vains. Plus récemment, en septembre 2013, lors d'expériences américaines menées dans la puissante installation laser NIF, ce que l'on appelle le « seuil de rentabilité scientifique » a été démontré pour la première fois : l'énergie libérée dans les réactions thermonucléaires dépassait l'énergie investie dans la compression et le chauffage du combustible dans le réacteur. cible selon le schéma ITS. Cela constitue une incitation supplémentaire pour accélérer le développement des programmes existants dans le monde visant à démontrer la possibilité d'une utilisation commerciale d'un réacteur à fusion.

Selon diverses prévisions, le premier prototype de réacteur thermonucléaire sera lancé avant 2040, grâce à un certain nombre de projets internationaux et de programmes gouvernementaux, dont le réacteur international ITER basé sur MTS, ainsi que des programmes nationaux de construction de réacteurs basés sur ITS aux USA, en Europe et au Japon. Ainsi, du lancement des procédés de fusion thermonucléaire incontrôlés au lancement de la première centrale CTS, soixante-dix à quatre-vingts ans s'écouleront.

Concernant la durée de mise en œuvre du CTS, je voudrais préciser que 80 ans, ce n’est en aucun cas une longue période. Par exemple, quatre-vingt-deux ans se sont écoulés entre l’invention de la première cellule voltaïque par Alessandro Volta en 1800 et le lancement du premier prototype de centrale électrique par Thomas Edison en 1882. Et si l'on parle de la découverte et des premières études des phénomènes électriques et magnétiques par William Gilbert (1600), alors plus de deux siècles se sont écoulés avant l'application pratique de ces phénomènes.

– Quelles sont les orientations scientifiques et pratiques pour l’utilisation de la fusion thermonucléaire inertielle contrôlée ?

Elena Koresheva: Le réacteur ITS est une source d'énergie respectueuse de l'environnement qui peut concurrencer économiquement les sources de combustibles fossiles traditionnelles et les centrales nucléaires. En particulier, les prévisions du laboratoire national américain Livermore prévoient un abandon complet des centrales nucléaires modernes par le secteur énergétique américain et leur remplacement complet par des systèmes ITS d'ici 2090.

Les technologies développées lors de la création du réacteur ITS peuvent être utilisées dans diverses industries du pays.

Mais avant tout, il est nécessaire de créer une maquette mécanique du réacteur, ou SMR, qui permettra d'optimiser les processus de base associés à la fréquence et à la synchronicité de livraison des cibles de combustible vers la zone de combustion thermonucléaire. Lancer un SMR et mener des expériences de test sur celui-ci est une étape nécessaire au développement des éléments d'un réacteur commercial.

Et enfin, le réacteur ITS est une puissante source de neutrons avec un rendement neutronique allant jusqu'à 1020 n/sec, et la densité de flux neutronique qu'il contient atteint des valeurs colossales et peut dépasser 1020 n/sec-cm 2 en moyenne et 1027 n/sec-cm 2 en impulsion à proximité de la zone de réaction. Le réacteur ITS, en tant que puissante source de neutrons, constitue un outil de recherche unique dans des domaines tels que la recherche fondamentale, l'énergie, les nano et biotechnologies, la médecine, la géologie et les questions de sécurité.

Quant aux domaines scientifiques d'utilisation des ITS, ils comprennent l'étude de la physique liée à l'évolution des supernovae et autres objets astrophysiques, l'étude du comportement de la matière dans des conditions extrêmes, la production d'éléments transuraniens et d'isotopes qui n'existent pas dans la nature. , l'étude de la physique de l'interaction du rayonnement laser avec le plasma, et bien plus encore.

– Selon vous, est-il nécessaire de passer au CTS comme source d’énergie alternative ?

Vladimir Nikolaïev: La nécessité d’une telle transition revêt plusieurs aspects. Il s’agit tout d’abord d’un aspect environnemental : l’impact néfaste des technologies traditionnelles de production d’énergie, tant à base d’hydrocarbures que nucléaires, sur l’environnement est bien connu et prouvé.

Il ne faut pas oublier l'aspect politique de ce problème, car le développement des énergies alternatives permettra au pays de revendiquer le leadership mondial et de dicter effectivement les prix des ressources énergétiques.

Ensuite, on constate qu'il devient de plus en plus coûteux d'extraire les ressources combustibles et que leur combustion devient de moins en moins réalisable. Comme l’a dit D.I. Mendeleev, « se noyer dans le pétrole, c’est la même chose que se noyer dans les billets de banque ». Par conséquent, la transition vers des technologies alternatives dans le secteur énergétique permettra de préserver les ressources en hydrocarbures du pays pour leur utilisation dans l’industrie chimique et autres.

Et enfin, étant donné que la taille et la densité de la population ne cessent de croître, il devient de plus en plus difficile de trouver des zones pour la construction de centrales nucléaires et de centrales électriques de district où la production d'énergie serait rentable et sans danger pour l'environnement.

Ainsi, du point de vue des aspects sociaux, politiques, économiques ou environnementaux de la création d'une fusion thermonucléaire contrôlée, aucune question ne se pose.

La principale difficulté est que pour atteindre l'objectif, il est nécessaire de résoudre de nombreux problèmes auxquels la science n'a pas encore été confrontée, à savoir :

Comprendre et décrire les processus physiques complexes se produisant dans un mélange de carburant en réaction,

Sélectionner et tester des matériaux de construction adaptés,

Développer des lasers et des sources de rayons X puissants,

Développer des systèmes de puissance pulsée capables de créer de puissants faisceaux de particules,

Développer une technologie pour la production en série de cibles combustibles et un système pour leur alimentation continue dans la chambre du réacteur de manière synchrone avec l'arrivée d'impulsions de rayonnement laser ou de faisceaux de particules, et bien plus encore.

Par conséquent, le problème de la création d'un programme fédéral d'État cible pour le développement de la fusion thermonucléaire inertielle contrôlée dans notre pays, ainsi que les questions de son financement, se posent.

– La fusion thermonucléaire contrôlée sera-t-elle sûre ? Quelles conséquences pour l’environnement et la population pourraient résulter d’une situation d’urgence ?

Elena Koresheva: Premièrement, la possibilité d'un accident critique dans une centrale thermonucléaire est totalement exclue en raison du principe de son fonctionnement. Le combustible pour la fusion thermonucléaire n'a pas de masse critique et, contrairement aux réacteurs des centrales nucléaires, dans le réacteur UTS, le processus de réaction peut être arrêté en une fraction de seconde en cas d'urgence.

Les matériaux structurels d'une centrale thermonucléaire seront sélectionnés de manière à ne pas former d'isotopes à vie longue en raison de l'activation par les neutrons. Cela signifie qu'il est possible de créer un réacteur « propre », libéré du problème du stockage à long terme des déchets radioactifs. Selon les estimations, après la fermeture d'une centrale thermonucléaire épuisée, elle peut être éliminée en vingt à trente ans sans recourir à des mesures de protection particulières.

Il est important de souligner que l’énergie de fusion thermonucléaire est une source d’énergie puissante et respectueuse de l’environnement, utilisant en fin de compte de l’eau de mer simple comme combustible. Avec ce système d'extraction d'énergie, il n'y a ni effet de serre, comme lors de la combustion de combustibles organiques, ni déchets radioactifs à vie longue, comme lors de l'exploitation des centrales nucléaires.

Un réacteur à fusion est bien plus sûr qu’un réacteur nucléaire, principalement en termes de rayonnement. Comme mentionné ci-dessus, la possibilité d'un accident critique dans une centrale thermonucléaire est exclue. Au contraire, dans une centrale nucléaire, il existe la possibilité d'un accident radiologique majeur, lié au principe même de son fonctionnement. L’exemple le plus frappant est celui des accidents de la centrale nucléaire de Tchernobyl en 1986 et de la centrale nucléaire de Fukushima-1 en 2011. La quantité de substances radioactives dans le réacteur CTS est faible. Le principal élément radioactif ici est le tritium, qui est faiblement radioactif, a une demi-vie de 12,3 ans et est facilement éliminé. De plus, la conception du réacteur UTS contient plusieurs barrières naturelles qui empêchent la propagation des substances radioactives. La durée de vie d'une centrale nucléaire, compte tenu de la prolongation de son exploitation, varie de trente-cinq à cinquante ans, après quoi la centrale doit être démantelée. Une grande quantité de matières hautement radioactives reste dans le réacteur d'une centrale nucléaire et autour du réacteur, et il faudra plusieurs décennies pour attendre que la radioactivité diminue. Cela conduit au retrait de vastes territoires et de biens matériels de la circulation économique.

Notons également que du point de vue de la possibilité d'une fuite d'urgence de tritium, les futures stations basées sur ITS présentent sans aucun doute un avantage sur les stations basées sur la fusion thermonucléaire magnétique. Dans les stations ITS, la quantité de tritium présente simultanément dans le cycle du combustible est calculée en grammes, au maximum en dizaines de grammes, tandis que dans les systèmes magnétiques, cette quantité devrait être de plusieurs dizaines de kilogrammes.

– Existe-t-il déjà des installations fonctionnant sur les principes de la fusion thermonucléaire inertielle ? Et si oui, quelle est leur efficacité ?

Elena Koresheva: Afin de démontrer l'énergie de fusion thermonucléaire obtenue grâce au système ITS, des installations pilotes de laboratoire ont été construites dans de nombreux pays du monde. Les plus puissants d’entre eux sont les suivants :

Depuis 2009, le laboratoire national Lawrence Livermore aux États-Unis exploite une installation laser NIF avec une énergie laser de 1,8 MJ, concentrée dans 192 faisceaux de rayonnement laser ;

En France (Bordeaux), une puissante installation LMJ avec une énergie laser de 1,8 MJ dans 240 faisceaux laser a été mise en service ;

Dans l'Union européenne, une puissante installation laser HiPER (High Power laser Energy Research) est en cours de création avec une énergie de 0,3 à 0,5 MJ, dont le fonctionnement nécessite la production et la livraison de cibles combustibles à haute fréquence >1 Hz ;

Le laboratoire américain d'énergie laser exploite une installation laser OMEGA, l'énergie laser de 30 kJ d'énergie est concentrée dans soixante faisceaux de rayonnement laser ;

Le laboratoire naval américain (NRL) a construit le laser NIKE au krypton-fluor le plus puissant au monde, avec une énergie de 3 à 5 kJ dans cinquante-six faisceaux laser ;

Au Japon, au Laboratoire de technologie laser de l'Université d'Osaka, il existe une installation laser multifaisceau GEKKO-XII, énergie laser - 15-30 kJ ;

En Chine, il existe une installation SG-III avec une énergie laser de 200 kJ dans soixante-quatre faisceaux laser ;

Le Centre nucléaire fédéral russe - Institut panrusse de recherche en physique expérimentale (RFNC-VNIIEF, Sarov) exploite les installations ISKRA-5 (douze faisceaux de rayonnement laser) et LUCH (quatre faisceaux de rayonnement laser). L'énergie laser dans ces installations est de 12 à 15 kJ. Ici, en 2012, la construction d'une nouvelle installation UFL-2M avec une énergie laser de 2,8 MJ dans 192 faisceaux a commencé. Il est prévu que le lancement de ce laser, le plus puissant au monde, ait lieu en 2020.

L'exploitation des installations ITS répertoriées a pour but de démontrer la rentabilité technique des ITS lorsque l'énergie libérée dans les réactions thermonucléaires dépasse la totalité de l'énergie investie. À ce jour, le seuil de rentabilité dit scientifique, c'est-à-dire la rentabilité scientifique des ITS, a été démontré : pour la première fois, l'énergie libérée dans les réactions thermonucléaires a dépassé l'énergie investie dans la compression et le chauffage du combustible.

– Selon vous, les installations utilisant la fusion thermonucléaire contrôlée peuvent être économiquement rentables aujourd’hui ? Peuvent-elles vraiment rivaliser avec les stations existantes ?

Vladimir Nikolaïev: La fusion thermonucléaire contrôlée est un véritable concurrent des sources d'énergie éprouvées comme les hydrocarbures et les centrales nucléaires, puisque les réserves de combustible de la centrale UTS sont pratiquement inépuisables. La quantité d'eau lourde contenant du deutérium dans les océans du monde est d'environ 1 015 tonnes. Le lithium, à partir duquel est produit le deuxième composant du combustible thermonucléaire, le tritium, est déjà produit dans le monde en dizaines de milliers de tonnes par an et est peu coûteux. De plus, 1 gramme de deutérium peut fournir 10 millions de fois plus d’énergie qu’1 gramme de charbon, et 1 gramme d’un mélange deutérium-tritium fournira la même énergie que 8 tonnes de pétrole.

De plus, les réactions de fusion sont une source d'énergie plus puissante que les réactions de fission de l'uranium 235 : la fusion thermonucléaire du deutérium et du tritium libère 4,2 fois plus d'énergie que la fission de la même masse de noyaux d'uranium 235.

L'élimination des déchets dans les centrales nucléaires est un processus technologique complexe et coûteux, tandis qu'un réacteur thermonucléaire est pratiquement sans déchets et, par conséquent, propre.

On note également un aspect important des caractéristiques opérationnelles d’ITES, comme l’adaptabilité du système aux changements de régimes énergétiques. Contrairement aux centrales nucléaires, le processus de réduction de puissance dans l'ITES est fondamentalement simple : il suffit de réduire la fréquence d'alimentation des cibles en combustible thermonucléaire dans la chambre du réacteur. D’où un autre avantage important de l’ITES par rapport aux centrales nucléaires traditionnelles : l’ITES est plus maniable. Peut-être qu'à l'avenir, cela permettra d'utiliser de puissants ITES non seulement dans la partie « de base » du programme de charge du système électrique, aux côtés de puissantes centrales hydroélectriques « de base » et de centrales nucléaires, mais aussi de considérer les ITES comme la solution la plus efficace. des centrales électriques « de pointe » maniables qui assurent un fonctionnement stable des grands systèmes énergétiques. Ou utilisez ITES pendant la période de pointes de charge quotidiennes du système électrique, lorsque les capacités disponibles des autres stations ne sont pas suffisantes.

– Des développements scientifiques sont-ils réalisés aujourd'hui en Russie ou dans d'autres pays pour créer une centrale thermonucléaire inertielle compétitive, rentable et sûre ?

Elena Koresheva: Aux États-Unis, en Europe et au Japon, il existe déjà des programmes nationaux à long terme visant à construire une centrale électrique basée sur les STI d'ici 2040. Il est prévu que l'accès aux technologies optimales ait lieu d'ici 2015-2018 et la démonstration du fonctionnement d'une centrale pilote en mode de production d'électricité continue d'ici 2020-2025. La Chine a un programme visant à construire et à lancer en 2020 une installation laser SG-IV à l'échelle d'un réacteur avec une énergie laser de 1,5 MJ.

Rappelons que pour assurer un mode continu de génération d'énergie, l'alimentation en combustible du centre de la chambre du réacteur ITES et l'alimentation simultanée en rayonnement laser doivent y être effectuées à une fréquence de 1-10 Hz.

Pour tester les technologies des réacteurs, le Laboratoire naval américain (NRL) a créé l'installation ELEKTRA, fonctionnant à une fréquence de 5 Hz avec une énergie laser de 500 à 700 Joules. D’ici 2020, il est prévu d’augmenter de mille fois l’énergie laser.

Une puissante installation pilote ITS d'une énergie de 0,3-0,5 MJ, qui fonctionnera en mode fréquence, est en cours de création dans le cadre du projet européen HiPER. Le but de ce programme : démontrer la possibilité d'obtenir de l'énergie de fusion thermonucléaire en mode fréquence, comme c'est typique pour le fonctionnement d'une centrale thermonucléaire inertielle.

Nous notons également ici le projet d'État de la République de Corée du Sud visant à créer un laser innovant à haute fréquence à haute puissance à l'Institut coréen progressif de physique et de technologie KAIST.

En Russie, à l'Institut de Physique du nom. P. N. Lebedev, une méthode FST unique a été développée et démontrée, ce qui constitue un moyen prometteur de résoudre le problème de la formation de fréquence et de la livraison de cibles de combustible cryogénique à un réacteur ITS. Des équipements de laboratoire ont également été créés ici pour simuler l'ensemble du processus de préparation d'une cible de réacteur - du remplissage de combustible à la livraison de fréquence au foyer laser. À la demande du programme HiPER, les spécialistes de FIAN ont développé une conception d'usine de cibles fonctionnant sur la base de la méthode FST et assurant la production continue de cibles de carburant et leur livraison en fréquence au foyer de la caméra expérimentale HiPER.

Aux États-Unis, il existe un programme à long terme LIFE visant à construire la première centrale électrique ITS d'ici 2040. Le programme LIFE sera développé sur la base de la puissante installation laser NIF fonctionnant aux États-Unis avec une énergie laser de 1,8 MJ.

Il convient de noter que ces dernières années, les recherches sur l'interaction d'un rayonnement laser très intense (1 017-1 018 W/cm 2 et plus) avec la matière ont conduit à la découverte de nouveaux effets physiques jusqu'alors inconnus. Cela a ravivé l'espoir d'une méthode simple et efficace pour allumer une réaction thermonucléaire dans un combustible non comprimé à l'aide de blocs de plasma (ce que l'on appelle l'allumage latéral), qui avait été proposée il y a plus de trente ans, mais n'a pas pu être mise en œuvre au niveau technologique alors disponible. niveau. Pour mettre en œuvre cette approche, un laser avec une durée d'impulsion picoseconde et une puissance de 10 à 100 pétaWatts est nécessaire. Actuellement, des recherches sur ce sujet sont menées de manière intensive partout dans le monde ; des lasers d'une puissance de 10 pétawatts (PW) ont déjà été construits. Par exemple, il s'agit de l'installation laser VULCAN du laboratoire Rutherford et Appleton au Royaume-Uni. Les calculs montrent que lors de l'utilisation d'un tel laser dans l'ITS, les conditions d'allumage pour les réactions sans neutrons, telles que proton-bore ou proton-lithium, sont tout à fait réalisables. Dans ce cas, en principe, le problème de la radioactivité est éliminé.

Dans le cadre du CTS, une technologie alternative à la fusion thermonucléaire inertielle est la fusion thermonucléaire magnétique. Cette technologie se développe partout dans le monde en parallèle des ITS, par exemple dans le cadre du programme international ITER. La construction du réacteur thermonucléaire expérimental international ITER basé sur le système de type TOKAMAK est réalisée dans le sud de la France au centre de recherche de Cadarache. Du côté russe, de nombreuses entreprises de Rosatom et d'autres départements sont impliquées dans le projet ITER sous la coordination générale du « Centre de projet ITER » créé par Rosatom. L'objectif de la création d'ITER est d'étudier les conditions qui doivent être remplies lors de l'exploitation des centrales à fusion, ainsi que de créer sur cette base des centrales électriques rentables qui seront plus grandes qu'ITER d'au moins 30 % dans chacune. dimension.

Il y a des perspectives en Russie

– Qu'est-ce qui pourrait empêcher la construction réussie d'une centrale thermonucléaire en Russie ?

Vladimir Nikolaïev: Comme déjà mentionné, il existe deux directions de développement du CTS : avec confinement magnétique et inertiel du plasma. Pour résoudre avec succès le problème de la construction d'une centrale thermonucléaire, les deux directions doivent être développées en parallèle dans le cadre des programmes fédéraux concernés, ainsi que des projets russes et internationaux.

La Russie participe déjà au projet international visant à créer le premier prototype du réacteur UTS - il s'agit du projet ITER lié à la fusion thermonucléaire magnétique.

Quant à une centrale électrique basée sur ITS, il n'existe pas encore de programme d'État de ce type en Russie. Le manque de financement dans ce domaine pourrait entraîner un retard important de la Russie dans le monde et la perte des priorités existantes.

Au contraire, sous réserve d'investissements financiers appropriés, de réelles perspectives de construction d'une centrale thermonucléaire inertielle, ou ITES, s'ouvrent sur le territoire russe.

– Existe-t-il des perspectives de construction d'une centrale thermonucléaire inertielle en Russie, sous réserve d'investissements financiers adéquats ?

Elena Koresheva: Il y a des perspectives. Regardons cela plus en détail.

ITES se compose de quatre parties fondamentalement nécessaires :

1. Chambre de combustion, ou chambre de réacteur, où se produisent des microexplosions thermonucléaires et leur énergie est transférée au liquide de refroidissement.

2. Pilote – un puissant laser ou accélérateur d’ions.

3. Usine cible - un système de préparation et d'introduction du combustible dans la chambre du réacteur.

4. Équipements thermiques et électriques.

Le combustible d'une telle station sera du deutérium et du tritium, ainsi que du lithium, qui fait partie de la paroi de la chambre du réacteur. Le tritium n'existe pas dans la nature, mais dans un réacteur, il se forme à partir du lithium lorsqu'il interagit avec les neutrons issus de réactions thermonucléaires. La quantité d'eau lourde contenant du deutérium dans l'océan mondial, comme déjà mentionné ici, est d'environ 1 015 tonnes. D'un point de vue pratique, c'est une valeur infinie ! L’extraction du deutérium de l’eau est un procédé bien établi et peu coûteux. Le lithium est un élément accessible et relativement bon marché que l’on trouve dans la croûte terrestre. Lorsque le lithium est utilisé dans l’ITES, sa durée de vie est de plusieurs centaines d’années. De plus, à plus long terme, avec le développement de la technologie des moteurs puissants (lasers, faisceaux d'ions), il est prévu de réaliser une réaction thermonucléaire sur du deutérium pur ou sur un mélange combustible ne contenant qu'une faible quantité de tritium. Par conséquent, le coût du combustible contribuera très peu, moins de 1 %, au coût de l’énergie produite par une centrale à fusion.

La chambre de combustion d'un ITES est, grosso modo, une sphère de 10 mètres, sur la paroi intérieure de laquelle est assurée la circulation du liquide, et dans certaines versions de stations, du liquide de refroidissement en poudre, comme le lithium, qui est utilisé simultanément à la fois pour éliminer l’énergie d’une micro-explosion thermonucléaire et produire du tritium. De plus, la chambre fournit le nombre requis de fenêtres d'entrée pour saisir les cibles et le rayonnement du pilote. La conception rappelle les boîtiers de puissants réacteurs nucléaires ou de certaines usines industrielles de synthèse chimique, dont l'expérience pratique est disponible. Il reste encore de nombreux problèmes à résoudre, mais il n’y a pas de limites fondamentales. Certains développements sur des matériaux de cette conception et des composants individuels existent déjà, notamment dans le projet ITER.

Les équipements thermiques et électriques sont des dispositifs techniques assez développés et utilisés depuis longtemps dans les centrales nucléaires. Naturellement, dans une centrale thermonucléaire, ces systèmes auront des coûts comparables.

Quant aux systèmes ITES les plus complexes - pilotes et usines cibles, il existe en Russie une bonne base nécessaire à l'adoption d'un programme d'État pour ITES et à la mise en œuvre d'un certain nombre de projets à la fois en collaboration avec les institutions russes et dans le cadre de la coopération internationale. coopération. De ce point de vue, les méthodes et technologies déjà développées dans les centres de recherche russes sont un point important.

En particulier, le Centre nucléaire fédéral russe de Sarov a des développements prioritaires dans le domaine de la création de lasers de haute puissance, de la production de cibles à combustible unique, du diagnostic des systèmes laser et du plasma thermonucléaire, ainsi que de la modélisation informatique des processus se déroulant dans les STI. Actuellement, le RFNC-VNIIEF met en œuvre le programme UFL-2M pour construire le laser le plus puissant au monde avec une énergie de 2,8 MJ. Un certain nombre d'autres organisations russes participent également au programme, notamment l'Institut de physique du même nom. P.N. Lebedeva. La mise en œuvre réussie du programme UFL-2M, lancé en 2012, constitue une nouvelle étape importante pour la Russie sur la voie de la maîtrise de l'énergie de fusion thermonucléaire.

Au Centre scientifique russe « Institut Kurchatov » (Moscou), en collaboration avec l'Université polytechnique de Saint-Pétersbourg, des recherches ont été menées dans le domaine de la livraison de combustible cryogénique à l'aide d'un injecteur pneumatique, déjà utilisé dans les systèmes de fusion thermonucléaire magnétique, comme TOKAMAK ; différents systèmes de protection des cibles combustibles lors de leur acheminement vers la chambre du réacteur ITS ont été étudiés ; La possibilité d'une utilisation pratique généralisée des ITS comme puissante source de neutrons a été étudiée.

À l'Institut de physique du nom. P. N. Lebedev RAS (Moscou) a réalisé les développements nécessaires dans le domaine de la création d'une usine de réacteurs cibles. Ici, une technologie unique de production de fréquence de cibles de carburant a été développée et un prototype d'usine de cibles fonctionnant à une fréquence de 0,1 Hz a été créé. Divers systèmes de livraison de cibles ont également été créés et étudiés ici, notamment un injecteur gravitationnel, un injecteur électromagnétique, ainsi que de nouveaux dispositifs de transport basés sur la lévitation quantique. Enfin, des technologies de contrôle qualité des cibles et de diagnostic de haute précision lors de la livraison ont été développées ici. Une partie de ces travaux a été réalisée en collaboration avec les centres ITS mentionnés précédemment dans le cadre de dix projets internationaux et russes.

Toutefois, une condition nécessaire à la mise en œuvre des méthodes et des technologies développées en Russie est l'adoption d'un programme fédéral ciblé à long terme pour les STI et leur financement.

– Quelle devrait être, selon vous, la première étape vers le développement de l’énergie thermonucléaire basée sur les ITS ?

Vladimir Nikolaïev: La première étape pourrait être le projet « Développement d'un modèle mécanique de réacteur et d'un prototype de TARGET FACTORY pour le réapprovisionnement en fréquence d'une centrale électrique fonctionnant sur la base de la fusion thermonucléaire inertielle avec combustible cryogénique », proposé par le Centre de Efficacité énergétique « INTER RAO UES » en collaboration avec l'Institut de Physique du même nom. P. N. Lebedeva et Centre national de recherche Institut Kurchatov. Les résultats obtenus dans le cadre du projet permettront à la Russie non seulement d'acquérir une priorité stable dans le monde dans le domaine des STI, mais également de se rapprocher de la construction d'une centrale électrique commerciale basée sur les STI.

Il est déjà clair que le futur ITES devra être construit avec une grande capacité unitaire – au moins plusieurs gigawatts. Dans ces conditions, elles seront tout à fait compétitives par rapport aux centrales nucléaires modernes. En outre, l'énergie thermonucléaire future éliminera les problèmes les plus urgents de l'énergie nucléaire - le danger d'un accident radiologique, l'élimination des déchets de haute activité, la hausse des coûts et l'épuisement du combustible des centrales nucléaires, etc. une centrale thermonucléaire d'une puissance thermique de 1 gigawatt (GW) équivaut du point de vue du risque de rayonnement à un réacteur à fission d'une puissance de seulement 1 kW !

– Dans quelles régions est-il conseillé de localiser les ITES ? La place d’une centrale thermonucléaire inertielle dans le système énergétique russe ?

Vladimir Nikolaïev: Comme mentionné ci-dessus, contrairement aux centrales thermiques (centrales électriques de district, centrales de cogénération de chaleur et d'électricité, centrales de cogénération de chaleur et d'électricité), l'emplacement des ITES ne dépend pas de l'emplacement des sources de combustible. Ses besoins annuels en carburant sont d’environ 1 tonne, et ce sont des matériaux sûrs et facilement transportables.

Les réacteurs nucléaires ne peuvent pas être situés à proximité de zones densément peuplées en raison du risque d'accident. Ces restrictions, caractéristiques des centrales nucléaires, sont absentes lors du choix de l'emplacement de l'ITES. Les ITES peuvent être situés à proximité des grandes villes et des centres industriels. Cela supprime le problème de la connexion de la station à un système électrique unifié. De plus, pour ITES, il n'y a aucun inconvénient lié à la complexité de la construction et de l'exploitation des centrales nucléaires, ainsi qu'aux difficultés liées au traitement et à l'élimination des déchets nucléaires et au démantèlement des installations des centrales nucléaires.

Les ITES peuvent être situés dans des zones reculées, peu peuplées et difficiles d'accès et fonctionner de manière autonome, fournissant des processus technologiques à forte intensité énergétique, comme, par exemple, la production d'aluminium et de métaux non ferreux en Sibérie orientale, dans la région de Magadan et Chukotka, diamants Yakut et bien plus encore.

Pendant longtemps trudnopisaka m'a demandé de faire un article sur le réacteur thermonucléaire en construction. Découvrez des détails intéressants sur la technologie, découvrez pourquoi ce projet prend autant de temps à être mis en œuvre. J'ai enfin rassemblé le matériel. Faisons connaissance avec les détails du projet.

Comment tout cela a-t-il commencé? Le « défi énergétique » est né de la combinaison des trois facteurs suivants :

1. L’humanité consomme désormais une énorme quantité d’énergie.

Actuellement, la consommation énergétique mondiale est d'environ 15,7 térawatts (TW). En divisant cette valeur par la population mondiale, nous obtenons environ 2 400 watts par personne, ce qui peut être facilement estimé et visualisé. L'énergie consommée par chaque habitant de la Terre (y compris les enfants) correspond au fonctionnement 24 heures sur 24 de lampes électriques de cent watts. Cependant, la consommation de cette énergie à travers la planète est très inégale, car elle est très importante dans plusieurs pays et négligeable dans d’autres. La consommation (par personne) est égale à 10,3 kW aux États-Unis (une des valeurs records), à 6,3 kW en Fédération de Russie, à 5,1 kW au Royaume-Uni, etc., mais en revanche, elle est égale seulement 0,21 kW au Bangladesh (seulement 2 % de la consommation énergétique américaine !).

Selon les prévisions de l’Agence internationale de l’énergie (2006), la consommation mondiale d’énergie devrait augmenter de 50 % d’ici 2030. Les pays développés pourraient, bien sûr, très bien se passer d’énergie supplémentaire, mais cette croissance est nécessaire pour sortir les populations de la pauvreté dans les pays en développement, où 1,5 milliard de personnes souffrent de graves pénuries d’électricité.

3. Actuellement, 80 % de l'énergie mondiale provient de la combustion de combustibles fossiles(pétrole, charbon et gaz), dont l'utilisation :
a) présente potentiellement un risque de changements environnementaux catastrophiques ;
b) doit inévitablement se terminer un jour.

D'après ce qui a été dit, il est clair que nous devons désormais nous préparer à la fin de l'ère de l'utilisation des combustibles fossiles.

Actuellement, les centrales nucléaires produisent à grande échelle l’énergie libérée lors des réactions de fission des noyaux atomiques. La création et le développement de telles centrales doivent être encouragés par tous les moyens possibles, mais il faut tenir compte du fait que les réserves de l'un des matériaux les plus importants pour leur fonctionnement (l'uranium bon marché) peuvent également être complètement épuisées au cours des 50 prochaines années. . Les possibilités de l’énergie nucléaire basée sur la fission peuvent (et devraient) être considérablement élargies grâce à l’utilisation de cycles énergétiques plus efficaces, permettant de presque doubler la quantité d’énergie produite. Pour développer l'énergie dans cette direction, il est nécessaire de créer des réacteurs à thorium (appelés réacteurs surgénérateurs de thorium ou réacteurs surgénérateurs), dans lesquels la réaction produit plus de thorium que l'uranium d'origine, de sorte que la quantité totale d'énergie produite pour une quantité donnée de substance, elle est multipliée par 40. Il semble également prometteur de créer des surgénérateurs de plutonium utilisant des neutrons rapides, bien plus efficaces que les réacteurs à uranium et capables de produire 60 fois plus d'énergie. Il se peut que pour développer ces zones, il soit nécessaire de développer de nouvelles méthodes non standards d'obtention de l'uranium (par exemple à partir de l'eau de mer, qui semble être la plus accessible).

Centrales électriques à fusion

La figure montre un diagramme schématique (pas à l'échelle) du dispositif et du principe de fonctionnement d'une centrale thermonucléaire. Dans la partie centrale se trouve une chambre toroïdale (en forme de beignet) d'un volume d'environ 2 000 m3, remplie de plasma tritium-deutérium (T-D) chauffé à une température supérieure à 100 M°C. Les neutrons produits lors de la réaction de fusion (1) sortent de la « bouteille magnétique » et pénètrent dans la coque représentée sur la figure d'une épaisseur d'environ 1 m.

À l’intérieur de la coquille, les neutrons entrent en collision avec des atomes de lithium, entraînant une réaction qui produit du tritium :

neutron + lithium → hélium + tritium

De plus, des réactions concurrentes se produisent dans le système (sans formation de tritium), ainsi que de nombreuses réactions avec libération de neutrons supplémentaires, qui conduisent alors également à la formation de tritium (dans ce cas, la libération de neutrons supplémentaires peut être considérablement amélioré, par exemple, en introduisant des atomes de béryllium dans la coque et du plomb). La conclusion générale est que cette installation pourrait (du moins en théorie) subir une réaction de fusion nucléaire qui produirait du tritium. Dans ce cas, la quantité de tritium produite devrait non seulement répondre aux besoins de l'installation elle-même, mais aussi être encore un peu plus importante, ce qui permettra d'alimenter de nouvelles installations en tritium. C'est ce concept de fonctionnement qui doit être testé et mis en œuvre dans le réacteur ITER décrit ci-dessous.

De plus, les neutrons doivent chauffer la coque dans des installations dites pilotes (dans lesquelles des matériaux de construction relativement « ordinaires » seront utilisés) à environ 400°C. À l'avenir, il est prévu de créer des installations améliorées avec une température de chauffage de la coque supérieure à 1 000 °C, ce qui pourra être obtenu grâce à l'utilisation des derniers matériaux à haute résistance (tels que les composites en carbure de silicium). La chaleur générée dans la calandre, comme dans les stations classiques, est captée par le circuit de refroidissement primaire avec un liquide de refroidissement (contenant par exemple de l'eau ou de l'hélium) et transférée au circuit secondaire, où de la vapeur d'eau est produite et fournie aux turbines.

1985 - L'Union soviétique propose la centrale Tokamak de nouvelle génération, en s'appuyant sur l'expérience de quatre pays leaders dans la création de réacteurs à fusion. Les États-Unis d'Amérique, le Japon et la Communauté européenne ont présenté une proposition pour la mise en œuvre du projet.

Actuellement, en France, est en construction le réacteur thermonucléaire expérimental international ITER (International Tokamak Experimental Reactor), décrit ci-dessous, qui sera le premier tokamak capable « d'enflammer » du plasma.

Les installations tokamak existantes les plus avancées ont depuis longtemps atteint des températures de l'ordre de 150 M°C, proches des valeurs requises pour le fonctionnement d'une station de fusion, mais le réacteur ITER devrait être la première centrale électrique à grande échelle conçue pour longtemps -opération à terme. A l'avenir, il faudra améliorer significativement ses paramètres de fonctionnement, ce qui nécessitera tout d'abord d'augmenter la pression dans le plasma, puisque la vitesse de fusion nucléaire à une température donnée est proportionnelle au carré de la pression. Le principal problème scientifique dans ce cas est lié au fait que lorsque la pression dans le plasma augmente, des instabilités très complexes et dangereuses apparaissent, c'est-à-dire des modes de fonctionnement instables.

Pourquoi avons nous besoin de ça?

Le principal avantage de la fusion nucléaire est qu’elle ne nécessite que de très petites quantités de substances très courantes dans la nature comme combustible. La réaction de fusion nucléaire dans les installations décrites peut conduire à la libération d'énormes quantités d'énergie, dix millions de fois supérieures à la chaleur standard dégagée lors des réactions chimiques conventionnelles (telles que la combustion de combustibles fossiles). A titre de comparaison, rappelons que la quantité de charbon nécessaire pour alimenter une centrale thermique d'une capacité de 1 gigawatt (GW) est de 10 000 tonnes par jour (dix wagons), et qu'une centrale à fusion de même puissance ne consommera qu'environ 1 kilogramme du mélange D+T par jour .

Le deutérium est un isotope stable de l'hydrogène ; Dans environ une molécule d’eau ordinaire sur 3 350, l’un des atomes d’hydrogène est remplacé par du deutérium (un héritage du Big Bang). Ce fait facilite l'organisation d'une production relativement bon marché de la quantité requise de deutérium à partir de l'eau. Il est plus difficile d'obtenir du tritium, qui est instable (demi-vie est d'environ 12 ans, de sorte que sa teneur dans la nature est négligeable), cependant, comme indiqué ci-dessus, le tritium apparaîtra directement à l'intérieur de l'installation thermonucléaire pendant le fonctionnement, en raison de la réaction des neutrons avec le lithium.

Ainsi, le combustible initial d’un réacteur à fusion est le lithium et l’eau. Le lithium est un métal courant largement utilisé dans les appareils électroménagers (batteries de téléphones portables, etc.). L'installation décrite ci-dessus, même en tenant compte d'un rendement non idéal, sera capable de produire 200 000 kWh d'énergie électrique, ce qui équivaut à l'énergie contenue dans 70 tonnes de charbon. La quantité de lithium nécessaire à cet effet est contenue dans une batterie d'ordinateur et la quantité de deutérium est contenue dans 45 litres d'eau. La valeur ci-dessus correspond à la consommation électrique actuelle (calculée par personne) dans les pays de l'UE sur 30 ans. Le fait même qu'une quantité aussi insignifiante de lithium puisse assurer la production d'une telle quantité d'électricité (sans émissions de CO2 et sans la moindre pollution atmosphérique) est un argument assez sérieux en faveur du développement le plus rapide et le plus vigoureux de l'énergie thermonucléaire (malgré tous les difficultés et problèmes) et même sans confiance à cent pour cent dans le succès d'une telle recherche.

Le deutérium devrait durer des millions d'années et les réserves de lithium, facilement exploitables, sont suffisantes pour répondre aux besoins pendant des centaines d'années. Même si le lithium des roches vient à manquer, nous pouvons l’extraire de l’eau, où il se trouve à des concentrations suffisamment élevées (100 fois la concentration de l’uranium) pour rendre son extraction économiquement viable.

Un réacteur thermonucléaire expérimental (Réacteur thermonucléaire expérimental international) est en cours de construction près de la ville de Cadarache en France. L'objectif principal du projet ITER est de mettre en œuvre une réaction de fusion thermonucléaire contrôlée à l'échelle industrielle.

Par unité de poids de combustible thermonucléaire, on obtient environ 10 millions de fois plus d'énergie qu'en brûlant la même quantité de combustible organique, et environ cent fois plus qu'en divisant les noyaux d'uranium dans les réacteurs des centrales nucléaires actuellement en activité. Si les calculs des scientifiques et des concepteurs se réalisent, cela donnera à l'humanité une source d'énergie inépuisable.

Par conséquent, un certain nombre de pays (Russie, Inde, Chine, Corée, Kazakhstan, États-Unis, Canada, Japon, pays de l'Union européenne) ont uni leurs forces pour créer le réacteur thermonucléaire international de recherche, un prototype de nouvelles centrales électriques.

ITER est une installation qui crée les conditions nécessaires à la synthèse d'atomes d'hydrogène et de tritium (un isotope de l'hydrogène), aboutissant à la formation d'un nouvel atome, l'atome d'hélium. Ce processus s’accompagne d’une énorme explosion d’énergie : la température du plasma dans lequel se produit la réaction thermonucléaire est d’environ 150 millions de degrés Celsius (à titre de comparaison, la température du noyau du Soleil est de 40 millions de degrés). Dans ce cas, les isotopes brûlent, ne laissant pratiquement aucun déchet radioactif.
Le schéma de participation au projet international prévoit la fourniture des composants du réacteur et le financement de sa construction. En échange de cela, chacun des pays participants bénéficie d'un accès complet à toutes les technologies permettant de créer un réacteur thermonucléaire et aux résultats de tous les travaux expérimentaux sur ce réacteur, qui serviront de base à la conception de réacteurs thermonucléaires de puissance en série.

Le réacteur, basé sur le principe de la fusion thermonucléaire, ne produit aucun rayonnement radioactif et est totalement sans danger pour l'environnement. Il peut être situé presque n’importe où dans le monde et son combustible est de l’eau ordinaire. La construction d'ITER devrait durer environ dix ans, après quoi le réacteur devrait être utilisé pendant 20 ans.

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Les intérêts de la Russie au Conseil de l'Organisation internationale pour la construction du réacteur thermonucléaire ITER dans les années à venir seront représentés par le membre correspondant de l'Académie des sciences de Russie Mikhaïl Kovalchuk - directeur de l'Institut Kurchatov, Institut de cristallographie de l'Académie de Russie de Secrétaire scientifique et scientifique du Conseil présidentiel pour la science, la technologie et l'éducation. Kovalchuk remplacera temporairement à ce poste l'académicien Evgeniy Velikhov, qui a été élu président du Conseil international d'ITER pour les deux prochaines années et n'a pas le droit de combiner ce poste avec les fonctions de représentant officiel d'un pays participant.

Le coût total de la construction est estimé à 5 milliards d'euros, et le même montant sera nécessaire pour l'essai d'exploitation du réacteur. Les actions de l'Inde, de la Chine, de la Corée, de la Russie, des États-Unis et du Japon représentent chacune environ 10 pour cent de la valeur totale, dont 45 pour cent proviennent des pays de l'Union européenne. Cependant, les États européens ne se sont pas encore mis d’accord sur la manière exacte dont les coûts seront répartis entre eux. Pour cette raison, le début des travaux a été reporté à avril 2010. Malgré le dernier retard, les scientifiques et les responsables impliqués dans ITER affirment qu'ils seront en mesure d'achever le projet d'ici 2018.

La puissance thermonucléaire estimée d’ITER est de 500 mégawatts. Les pièces individuelles des aimants atteignent un poids de 200 à 450 tonnes. Pour refroidir ITER, il faudra 33 000 mètres cubes d'eau par jour.

En 1998, les États-Unis ont cessé de financer leur participation au projet. Après l’arrivée au pouvoir des Républicains et le début des pannes d’électricité en Californie, l’administration Bush a annoncé une augmentation des investissements dans l’énergie. Les États-Unis n’avaient pas l’intention de participer au projet international et étaient engagés dans leur propre projet thermonucléaire. Début 2002, le conseiller technologique du président Bush, John Marburger III, a déclaré que les États-Unis avaient changé d'avis et avaient l'intention de revenir sur le projet.

En termes de nombre de participants, le projet est comparable à un autre grand projet scientifique international : la Station spatiale internationale. Le coût d'ITER, qui atteignait auparavant 8 milliards de dollars, s'élevait alors à moins de 4 milliards. À la suite du retrait des États-Unis de la participation, il a été décidé de réduire la puissance du réacteur de 1,5 GW à 500 MW. En conséquence, le prix du projet a également diminué.

En juin 2002, le colloque « ITER Days in Moscou » s'est tenu dans la capitale russe. Il a discuté des problèmes théoriques, pratiques et organisationnels liés à la relance du projet, dont le succès peut changer le destin de l'humanité et lui donner un nouveau type d'énergie, comparable en efficacité et en économie uniquement à l'énergie du Soleil.

En juillet 2010, les représentants des pays participant au projet international de réacteur thermonucléaire ITER ont approuvé son budget et son calendrier de construction lors d'une réunion extraordinaire tenue à Cadarache, en France. .

Lors de la dernière réunion extraordinaire, les participants au projet ont approuvé la date de début des premières expériences avec le plasma - 2019. Des expériences complètes sont prévues pour mars 2027, bien que la direction du projet ait demandé à des spécialistes techniques d'essayer d'optimiser le processus et de commencer les expériences en 2026. Les participants à la réunion ont également décidé des coûts de construction du réacteur, mais les montants prévus pour la création de l'installation n'ont pas été divulgués. Selon les informations reçues par l'éditeur du portail ScienceNOW de source anonyme, au moment du début des expériences, le coût du projet ITER pourrait atteindre 16 milliards d'euros.

La réunion de Cadarache a également marqué le premier jour de travail officiel du nouveau directeur du projet, le physicien japonais Osamu Motojima. Avant lui, le projet était dirigé depuis 2005 par le Japonais Kaname Ikeda, qui souhaitait quitter son poste immédiatement après l'approbation du budget et des délais de construction.

Le réacteur à fusion ITER est un projet conjoint de l'Union européenne, de la Suisse, du Japon, des États-Unis, de la Russie, de la Corée du Sud, de la Chine et de l'Inde. L'idée de créer ITER est à l'étude depuis les années 80 du siècle dernier, cependant, en raison de difficultés financières et techniques, le coût du projet ne cesse de croître et la date de début de la construction est constamment reportée. En 2009, les experts s'attendaient à ce que les travaux de création du réacteur commencent en 2010. Plus tard, cette date a été déplacée et d'abord 2018, puis 2019 ont été désignées comme date de lancement du réacteur.

Les réactions de fusion thermonucléaire sont des réactions de fusion de noyaux d'isotopes légers pour former un noyau plus lourd, qui s'accompagnent d'une énorme libération d'énergie. En théorie, les réacteurs à fusion peuvent produire beaucoup d’énergie à faible coût, mais à l’heure actuelle, les scientifiques dépensent beaucoup plus d’énergie et d’argent pour démarrer et entretenir la réaction de fusion.

La fusion thermonucléaire est un moyen peu coûteux et écologique de produire de l’énergie. Une fusion thermonucléaire incontrôlée se produit sur le Soleil depuis des milliards d'années : l'hélium est formé à partir de l'isotope lourd de l'hydrogène, le deutérium. Cela libère une quantité colossale d’énergie. Cependant, les humains sur Terre n’ont pas encore appris à contrôler de telles réactions.

Le réacteur ITER utilisera des isotopes d'hydrogène comme combustible. Lors d’une réaction thermonucléaire, de l’énergie est libérée lorsque des atomes légers se combinent en atomes plus lourds. Pour y parvenir, le gaz doit être chauffé à une température de plus de 100 millions de degrés, soit bien plus élevée que la température au centre du Soleil. Le gaz à cette température se transforme en plasma. Dans le même temps, les atomes d'isotopes d'hydrogène fusionnent et se transforment en atomes d'hélium avec libération d'un grand nombre de neutrons. Une centrale électrique fonctionnant selon ce principe utilisera l'énergie de neutrons ralentis par une couche de matériau dense (lithium).

Pourquoi la création d'installations thermonucléaires a-t-elle pris autant de temps ?

Pourquoi des installations aussi importantes et précieuses, dont les avantages sont discutés depuis près d'un demi-siècle, n'ont-elles pas encore été créées ? Il existe trois raisons principales (discutées ci-dessous), dont la première peut être qualifiée d'externe ou sociale, et les deux autres - internes, c'est-à-dire déterminées par les lois et les conditions de développement de l'énergie thermonucléaire elle-même.

1. Pendant longtemps, on a cru que le problème de l'utilisation pratique de l'énergie de fusion thermonucléaire n'exigeait pas de décisions et d'actions urgentes, puisque dans les années 80 du siècle dernier, les sources de combustibles fossiles semblaient inépuisables, et les problèmes environnementaux et le changement climatique le faisaient. ne concerne pas le public. En 1976, le Comité consultatif sur l'énergie de fusion du Département américain de l'énergie a tenté d'estimer le calendrier de la R&D et d'une centrale électrique à fusion de démonstration selon diverses options de financement de la recherche. Dans le même temps, il a été découvert que le volume du financement annuel de la recherche dans ce sens est totalement insuffisant, et si le niveau de crédits existant est maintenu, la création d'installations thermonucléaires ne réussira jamais, puisque les fonds alloués ne correspondent pas même au niveau minimum et critique.

2. Un obstacle plus sérieux au développement de la recherche dans ce domaine est qu'une installation thermonucléaire du type en question ne peut être créée et démontrée à petite échelle. A partir des explications présentées ci-dessous, il apparaîtra clairement que la fusion thermonucléaire nécessite non seulement un confinement magnétique du plasma, mais également un échauffement suffisant de celui-ci. Le rapport entre l'énergie dépensée et reçue augmente au moins proportionnellement au carré des dimensions linéaires de l'installation, de sorte que les capacités scientifiques et techniques et les avantages des installations thermonucléaires ne peuvent être testés et démontrés que dans des stations assez grandes, telles comme le réacteur ITER mentionné. La société n’était tout simplement pas prête à financer des projets d’une telle envergure tant qu’elle n’avait pas suffisamment confiance dans leur réussite.

3. Le développement de l'énergie thermonucléaire a cependant été très complexe (malgré un financement insuffisant et des difficultés de sélection des centres pour la création des installations JET et ITER), de nets progrès ont été observés ces dernières années, même si une station d'exploitation n'a pas encore été créée.

Le monde moderne est confronté à un défi énergétique très grave, que l’on peut plus précisément qualifier de « crise énergétique incertaine ». Le problème est lié au fait que les réserves de combustibles fossiles pourraient s’épuiser dans la seconde moitié de ce siècle. De plus, la combustion de combustibles fossiles peut nécessiter d’une manière ou d’une autre de séquestrer et de « stocker » le dioxyde de carbone rejeté dans l’atmosphère (le programme CSC mentionné ci-dessus) pour éviter des changements majeurs dans le climat de la planète.

Actuellement, presque toute l'énergie consommée par l'humanité est créée par la combustion de combustibles fossiles, et la solution au problème peut être associée à l'utilisation de l'énergie solaire ou de l'énergie nucléaire (création de réacteurs surgénérateurs rapides, etc.). Le problème mondial posé par la croissance démographique des pays en développement et leur nécessité d'améliorer leur niveau de vie et d'augmenter la quantité d'énergie produite ne peut être résolu sur la seule base de ces approches, même si, bien entendu, toute tentative visant à développer des méthodes alternatives de production d'énergie devrait être encouragé.

À proprement parler, le choix des stratégies comportementales est restreint et le développement de l'énergie thermonucléaire est extrêmement important, même en l'absence de garantie de succès. Le journal Financial Times (daté du 25 janvier 2004) a écrit à ce sujet :

Espérons qu'il n'y aura pas de surprises majeures et inattendues sur le chemin du développement de l'énergie thermonucléaire. Dans ce cas, dans environ 30 ans, nous pourrons pour la première fois alimenter en courant électrique les réseaux énergétiques, et dans un peu plus de 10 ans, la première centrale thermonucléaire commerciale commencera à fonctionner. Il est possible que dans la seconde moitié de ce siècle, l’énergie de fusion nucléaire commence à remplacer les combustibles fossiles et commence progressivement à jouer un rôle de plus en plus important dans la fourniture d’énergie à l’humanité à l’échelle mondiale.

Il n'y a aucune garantie absolue que la tâche consistant à créer de l'énergie thermonucléaire (en tant que source d'énergie efficace et à grande échelle pour toute l'humanité) sera menée à bien, mais la probabilité de succès dans cette direction est assez élevée. Compte tenu de l’énorme potentiel des centrales thermonucléaires, tous les coûts liés aux projets visant à leur développement rapide (voire accéléré) peuvent être considérés comme justifiés, d’autant plus que ces investissements semblent très modestes dans le contexte du monstrueux marché mondial de l’énergie (4 000 milliards de dollars par an8). Répondre aux besoins énergétiques de l'humanité est un problème très grave. Alors que les combustibles fossiles deviennent de moins en moins disponibles (et que leur utilisation devient indésirable), la situation évolue et nous ne pouvons tout simplement pas nous permettre de ne pas développer l’énergie de fusion.

A la question « Quand apparaîtra l’énergie thermonucléaire ? Lev Artsimovich (un pionnier reconnu et leader de la recherche dans ce domaine) a répondu un jour qu'« il sera créé lorsqu'il deviendra vraiment nécessaire pour l'humanité ».

ITER sera le premier réacteur à fusion à produire plus d'énergie qu'il n'en consomme. Les scientifiques mesurent cette caractéristique à l’aide d’un simple coefficient qu’ils appellent « Q ». Si ITER atteint tous ses objectifs scientifiques, il produira 10 fois plus d’énergie qu’il n’en consomme. Le dernier dispositif construit, le Joint European Torus en Angleterre, est un prototype de réacteur à fusion plus petit qui, dans ses dernières étapes de recherche scientifique, a atteint une valeur Q de près de 1. Cela signifie qu'il a produit exactement la même quantité d'énergie qu'il a consommé. . ITER ira plus loin en démontrant la création d'énergie à partir de la fusion et en atteignant une valeur Q de 10. L'idée est de générer 500 MW à partir d'une consommation d'énergie d'environ 50 MW. Ainsi, l’un des objectifs scientifiques d’ITER est de prouver qu’une valeur Q de 10 peut être atteinte.

Un autre objectif scientifique est qu'ITER ait un temps de « combustion » très long – une impulsion d'une durée prolongée jusqu'à une heure. ITER est un réacteur expérimental de recherche qui ne peut pas produire d'énergie en continu. Lorsqu’ITER commencera à fonctionner, il restera allumé pendant une heure, après quoi il devra être éteint. Ceci est important car jusqu'à présent, les appareils standards que nous avons créés étaient capables d'avoir une durée de combustion de plusieurs secondes voire dixièmes de seconde - c'est le maximum. Le « Joint European Torus » a atteint sa valeur Q de 1 avec une durée de combustion d'environ deux secondes et une durée d'impulsion de 20 secondes. Mais un processus qui dure quelques secondes n’est pas vraiment permanent. Par analogie avec le démarrage d’un moteur de voiture : allumer brièvement le moteur puis l’éteindre n’est pas encore un véritable fonctionnement de la voiture. Ce n'est que lorsque vous conduisez votre voiture pendant une demi-heure qu'elle atteint un mode de fonctionnement constant et démontre qu'une telle voiture peut réellement être conduite.

Autrement dit, d'un point de vue technique et scientifique, ITER offrira une valeur Q de 10 et une durée de combustion accrue.

Le programme de fusion thermonucléaire est véritablement international et de grande envergure. Les gens comptent déjà sur le succès d'ITER et réfléchissent à la prochaine étape : créer un prototype de réacteur thermonucléaire industriel appelé DEMO. Pour le construire, ITER doit fonctionner. Nous devons atteindre nos objectifs scientifiques car cela signifie que les idées que nous avançons sont tout à fait réalisables. Cependant, je suis d’accord que vous devriez toujours penser à ce qui va suivre. De plus, au fur et à mesure qu'ITER fonctionnera pendant 25 à 30 ans, nos connaissances s'approfondiront et s'élargiront progressivement, et nous serons en mesure de définir plus précisément notre prochaine étape.

En effet, il n’y a aucun débat sur la question de savoir si ITER doit être un tokamak. Certains scientifiques posent la question tout autrement : ITER devrait-il exister ? Des experts de différents pays, développant leurs propres projets thermonucléaires à petite échelle, soutiennent qu'un réacteur d'une telle taille n'est pas du tout nécessaire.

Cependant, leur opinion ne devrait guère être considérée comme faisant autorité. Des physiciens travaillant avec des pièges toroïdaux depuis plusieurs décennies ont participé à la création d'ITER. La conception du réacteur thermonucléaire expérimental de Karadash était basée sur toutes les connaissances acquises lors d'expériences sur des dizaines de tokamaks précédents. Et ces résultats indiquent que le réacteur doit être un tokamak, et de surcroît de grande taille.

JET À l'heure actuelle, le tokamak le plus performant peut être considéré comme le JET, construit par l'UE dans la ville britannique d'Abingdon. Il s'agit du plus grand réacteur de type tokamak créé à ce jour, le grand rayon du tore plasma est de 2,96 mètres. La puissance de la réaction thermonucléaire a déjà atteint plus de 20 mégawatts avec un temps de rétention allant jusqu'à 10 secondes. Le réacteur restitue environ 40 % de l'énergie mise dans le plasma.

C'est la physique du plasma qui détermine le bilan énergétique », a déclaré Igor Semenov à Infox.ru. Le professeur agrégé du MIPT a décrit ce qu'est le bilan énergétique avec un exemple simple : « Nous avons tous vu un incendie brûler. En fait, ce n’est pas du bois qui y brûle, mais du gaz. La chaîne énergétique y est la suivante : le gaz brûle, le bois chauffe, le bois s'évapore, le gaz brûle à nouveau. Par conséquent, si nous jetons de l'eau sur un feu, nous retirerons brusquement de l'énergie au système pour la transition de phase de l'eau liquide à l'état vapeur. Le bilan deviendra négatif et le feu s’éteindra. Il existe un autre moyen : nous pouvons simplement prendre les tisons et les répandre dans l'espace. Le feu s'éteindra également. C’est la même chose dans le réacteur thermonucléaire que nous construisons. Les dimensions sont choisies pour créer un bilan énergétique positif approprié pour ce réacteur. Suffisant pour construire dans le futur une véritable centrale nucléaire, résolvant à ce stade expérimental tous les problèmes qui restent actuellement en suspens.»

Les dimensions du réacteur ont été modifiées une fois. Cela s'est produit au tournant des XXe et XXIe siècles, lorsque les États-Unis se sont retirés du projet et que les membres restants ont réalisé que le budget d'ITER (à l'époque estimé à 10 milliards de dollars américains) était trop important. Il a fallu faire appel à des physiciens et des ingénieurs pour réduire le coût d'installation. Et cela ne pouvait se faire qu’en raison de la taille. La « refonte » d'ITER a été dirigée par le physicien français Robert Aymar, qui a précédemment travaillé sur le tokamak français Tore Supra à Karadash. Le rayon extérieur du tore de plasma a été réduit de 8,2 à 6,3 mètres. Cependant, les risques liés à la réduction de taille ont été en partie compensés par plusieurs aimants supraconducteurs supplémentaires, qui ont permis de mettre en œuvre le mode de confinement du plasma, alors ouvert et étudié.

source
http://ehorussia.com
http://oko-planet.su

Nous disons que nous mettrons le soleil dans une boîte. L'idée est jolie. Le problème est que nous ne savons pas comment fabriquer la boîte.

Pierre-Gilles de Gennes
Prix ​​Nobel français

Tous les appareils et machines électroniques ont besoin d’énergie et l’humanité en consomme beaucoup. Mais les combustibles fossiles s’épuisent et les énergies alternatives ne sont pas encore assez efficaces.
Il existe une méthode d'obtention d'énergie qui convient parfaitement à toutes les exigences : la fusion thermonucléaire. La réaction de fusion thermonucléaire (conversion de l'hydrogène en hélium et libération d'énergie) se produit constamment au soleil et ce processus fournit à la planète de l'énergie sous forme de rayons solaires. Il suffit de l’imiter sur Terre, à plus petite échelle. Il suffit de fournir une haute pression et une très haute température (10 fois supérieure à celle du Soleil) et la réaction de fusion sera lancée. Pour créer de telles conditions, il faut construire un réacteur thermonucléaire. Elle utilisera des ressources plus abondantes sur terre, sera plus sûre et plus puissante que les centrales nucléaires conventionnelles. Depuis plus de 40 ans, des tentatives ont été faites pour le construire et des expérimentations ont été menées. Ces dernières années, l'un des prototypes a même réussi à obtenir plus d'énergie qu'elle n'en a dépensé. Les projets les plus ambitieux dans ce domaine sont présentés ci-dessous :

Projets gouvernementaux

La plus grande attention du public a récemment été accordée à un autre modèle de réacteur thermonucléaire : le stellarateur Wendelstein 7-X (le stellarateur est plus complexe dans sa structure interne qu'ITER, qui est un tokamak). Après avoir dépensé un peu plus d'un milliard de dollars, des scientifiques allemands ont construit un modèle de démonstration réduit du réacteur en 9 ans, d'ici 2015. S'il donne de bons résultats, une version plus grande sera construite.

Le laser MégaJoule de la France sera le laser le plus puissant au monde et tentera de faire progresser une méthode basée sur le laser pour construire un réacteur à fusion. L’installation française devrait être mise en service en 2018.

Le NIF (National Ignition Facility) a été construit aux États-Unis sur 12 ans et a coûté 4 milliards de dollars en 2012. Ils espéraient tester la technologie puis construire immédiatement un réacteur, mais il s'est avéré que, comme le rapporte Wikipédia, des travaux importants sont nécessaires si le Le système doit jamais atteindre l'allumage. En conséquence, les projets grandioses ont été annulés et les scientifiques ont commencé à améliorer progressivement le laser. Le dernier défi consiste à augmenter l’efficacité du transfert d’énergie de 7 % à 15 %. Dans le cas contraire, le financement du Congrès pour cette méthode de synthèse pourrait cesser.

Fin 2015, la construction du bâtiment destiné à l’installation laser la plus puissante du monde a commencé à Sarov. Il sera plus puissant que les actuels américains et futurs français et permettra de réaliser les expérimentations nécessaires à la construction d'une version « laser » du réacteur. Achèvement des travaux en 2020.

Situé aux États-Unis, le laser de fusion MagLIF est reconnu comme un cheval noir parmi les méthodes permettant de réaliser la fusion thermonucléaire. Récemment, cette méthode a donné de meilleurs résultats que prévu, mais la puissance doit encore être augmentée de 1 000 fois. Le laser est actuellement en cours de mise à niveau et, d'ici 2018, les scientifiques espèrent recevoir la même quantité d'énergie qu'ils ont dépensée. En cas de succès, une version plus grande sera construite.

L’Institut russe de physique nucléaire a expérimenté avec persistance la méthode du « piège ouvert », que les États-Unis ont abandonnée dans les années 90. En conséquence, des indicateurs ont été obtenus, considérés comme impossibles pour cette méthode. Les scientifiques du BINP estiment que leur installation est désormais au niveau du Wendelstein 7-X allemand (Q=0,1), mais moins cher. Ils construisent maintenant une nouvelle installation pour 3 milliards de roubles

Le directeur de l'Institut Kurchatov rappelle constamment les projets de construction d'un petit réacteur thermonucléaire en Russie - Ignitor. Selon le plan, il devrait être aussi efficace qu'ITER, quoique plus petit. Sa construction aurait dû commencer il y a 3 ans, mais cette situation est typique des grands projets scientifiques.

Début 2016, le tokamak chinois EAST a réussi à atteindre une température de 50 millions de degrés et à la maintenir pendant 102 secondes. Avant le début de la construction d’énormes réacteurs et lasers, toutes les nouvelles concernant la fusion thermonucléaire étaient ainsi. On pourrait penser qu’il s’agit simplement d’une compétition entre scientifiques pour déterminer qui pourra maintenir plus longtemps une température de plus en plus élevée. Plus la température du plasma est élevée et plus elle peut être maintenue longtemps, plus nous nous rapprochons du début de la réaction de fusion. Il existe des dizaines d'installations de ce type dans le monde, plusieurs autres () () sont en cours de construction, le record de l'EST sera donc bientôt battu. Essentiellement, ces petits réacteurs ne sont que des équipements de test avant d'être envoyés à ITER.

Lockheed Martin a annoncé en 2015 une percée dans l’énergie de fusion qui leur permettrait de construire un petit réacteur à fusion mobile d’ici 10 ans. Étant donné que même des réacteurs commerciaux de très grande taille et absolument pas mobiles n'étaient pas attendus avant 2040, l'annonce de la société a été accueillie avec scepticisme. Mais l’entreprise dispose de beaucoup de ressources, alors qui sait. Un prototype est attendu en 2020.

La startup populaire de la Silicon Valley, Helion Energy, a son propre plan unique pour réaliser la fusion thermonucléaire. L'entreprise a levé plus de 10 millions de dollars et prévoit de créer un prototype d'ici 2019.

La startup discrète Tri Alpha Energy a récemment obtenu des résultats impressionnants dans la promotion de sa méthode de fusion (les théoriciens ont développé plus de 100 méthodes théoriques pour réaliser la fusion, le tokamak est tout simplement le plus simple et le plus populaire). La société a également levé plus de 100 millions de dollars auprès d’investisseurs.

Le projet de réacteur de la startup canadienne General Fusion est encore plus différent des autres, mais les développeurs y sont confiants et ont levé plus de 100 millions de dollars en 10 ans pour construire le réacteur d'ici 2020.

La startup britannique First light possède le site Web le plus accessible, créée en 2014, et a annoncé son intention d'utiliser les dernières données scientifiques pour réaliser la fusion nucléaire à moindre coût.

Des scientifiques du MIT ont rédigé un article décrivant un réacteur à fusion compact. Ils s'appuient sur les nouvelles technologies apparues après le début de la construction des tokamaks géants et promettent d'achever le projet dans 10 ans. On ne sait pas encore s’ils recevront le feu vert pour commencer la construction. Même approuvé, un article dans un magazine est une étape encore plus précoce qu'une startup

La fusion nucléaire est peut-être l’industrie la moins adaptée au financement participatif. Mais c'est avec son aide et également grâce au financement de la NASA que la société Lawrenceville Plasma Physics va construire un prototype de son réacteur. De tous les projets en cours, celui-ci ressemble le plus à une arnaque, mais qui sait, peut-être qu'ils apporteront quelque chose d'utile à ce travail grandiose.

ITER ne sera qu'un prototype pour la construction d'une installation DEMO à part entière - le premier réacteur à fusion commercial. Son lancement est désormais prévu pour 2044 et cela reste une prévision optimiste.

Mais il y a des projets pour la prochaine étape. Un réacteur thermonucléaire hybride recevra de l’énergie provenant à la fois de la désintégration atomique (comme une centrale nucléaire conventionnelle) et de la fusion. Dans cette configuration, l'énergie peut être 10 fois supérieure, mais la sécurité est moindre. La Chine espère construire un prototype d’ici 2030, mais les experts estiment que cela reviendrait à essayer de construire des voitures hybrides avant l’invention du moteur à combustion interne.

Conclusion

Balises : ajouter des balises

Sans exagération, le réacteur thermonucléaire expérimental international ITER peut être considéré comme le projet de recherche le plus important de notre époque. En termes d’ampleur de construction, il éclipsera facilement le Grand collisionneur de hadrons et, en cas de succès, il marquera une étape bien plus importante pour l’ensemble de l’humanité qu’un vol vers la Lune. En effet, la fusion thermonucléaire potentiellement contrôlée constitue une source presque inépuisable d’énergie propre et bon marché sans précédent.

Cet été, il y avait plusieurs bonnes raisons de peaufiner les détails techniques du projet ITER. Premièrement, une entreprise grandiose, dont le début officiel est considéré comme la rencontre entre Mikhaïl Gorbatchev et Ronald Reagan en 1985, prend sous nos yeux une incarnation matérielle. La conception d'un réacteur de nouvelle génération avec la participation de la Russie, des États-Unis, du Japon, de la Chine, de l'Inde, de la Corée du Sud et de l'Union européenne a pris plus de 20 ans. Aujourd'hui, ITER, ce n'est plus des kilogrammes de documentation technique, mais 42 hectares (1 km sur 420 m) d'une surface parfaitement plane de l'une des plus grandes plates-formes artificielles au monde, située dans la ville française de Cadarache, à 60 km au nord de Marseille. . Ainsi que les fondations du futur réacteur de 360 ​​000 tonnes, composé de 150 000 mètres cubes de béton, 16 000 tonnes d'armatures et 493 colonnes avec revêtement antisismique caoutchouc-métal. Et bien sûr, des milliers d’instruments scientifiques et d’installations de recherche sophistiqués disséminés dans les universités du monde entier.

Mars 2007. Première photo aérienne de la future plateforme ITER.

La production des composants clés du réacteur est en bonne voie. Au printemps, la France a annoncé la production de 70 cadres pour bobines de champ toroïdal en forme de D et, en juin, le bobinage des premières bobines de câbles supraconducteurs, reçues de Russie de l'Institut de l'industrie du câble de Podolsk, a commencé.

La deuxième bonne raison de se souvenir d’ITER dès maintenant est politique. Le réacteur de nouvelle génération constitue un test non seulement pour les scientifiques, mais aussi pour les diplomates. Il s’agit d’un projet tellement coûteux et techniquement complexe qu’aucun pays au monde ne peut l’entreprendre seul. La capacité des États à parvenir à un accord entre eux, tant dans le domaine scientifique que financier, déterminera la réussite de cette affaire.

Mars 2009. 42 hectares de terrain nivelé attendent le début de la construction d'un complexe scientifique.

Le Conseil ITER était prévu le 18 juin à Saint-Pétersbourg, mais le Département d'État américain, dans le cadre des sanctions, a interdit aux scientifiques américains de se rendre en Russie. Compte tenu du fait que l'idée même d'un tokamak (une chambre toroïdale avec des bobines magnétiques, qui constitue la base d'ITER) appartient au physicien soviétique Oleg Lavrentiev, les participants au projet ont traité cette décision comme une curiosité et ont simplement déplacé le rendez-vous à Cadarache le même jour. Ces événements ont rappelé une fois de plus au monde entier que la Russie (avec la Corée du Sud) est la principale responsable du respect de ses obligations envers le projet ITER.

Février 2011. Plus de 500 trous ont été forés dans le puits d'isolation sismique, toutes les cavités souterraines ont été remplies de béton.

Les scientifiques brûlent

L’expression « réacteur à fusion » incite de nombreuses personnes à se méfier. La chaîne associative est claire : une bombe thermonucléaire est plus terrible qu'une bombe nucléaire, ce qui signifie qu'un réacteur thermonucléaire est plus dangereux que Tchernobyl.

En fait, la fusion nucléaire, sur laquelle repose le principe de fonctionnement du tokamak, est bien plus sûre et efficace que la fission nucléaire utilisée dans les centrales nucléaires modernes. La fusion est utilisée par la nature elle-même : le Soleil n'est rien d'autre qu'un réacteur thermonucléaire naturel.

Le tokamak ASDEX, construit en 1991 à l'Institut Max Planck en Allemagne, est utilisé pour tester divers matériaux des parois avant des réacteurs, notamment le tungstène et le béryllium. Le volume de plasma dans ASDEX est de 13 m 3 , soit près de 65 fois inférieur à celui d'ITER.

La réaction implique des noyaux de deutérium et de tritium, des isotopes de l'hydrogène. Le noyau du deutérium est constitué d'un proton et d'un neutron, tandis que le noyau du tritium est constitué d'un proton et de deux neutrons. Dans des conditions normales, des noyaux de même charge se repoussent, mais à des températures très élevées, ils peuvent entrer en collision.

Lors d’une collision, une interaction forte entre en jeu, responsable de la combinaison des protons et des neutrons en noyaux. Le noyau d'un nouvel élément chimique, l'hélium, émerge. Dans ce cas, un neutron libre se forme et une grande quantité d’énergie est libérée. La forte énergie d'interaction dans le noyau d'hélium est inférieure à celle des noyaux des éléments parents. De ce fait, le noyau résultant perd même de la masse (selon la théorie de la relativité, l'énergie et la masse sont équivalentes). En rappelant la fameuse équation E = mc 2, où c est la vitesse de la lumière, on peut imaginer le potentiel énergétique colossal que contient la fusion nucléaire.

Août 2011. Début du coulage d'une dalle d'isolation sismique monolithique en béton armé.

Pour vaincre la force de répulsion mutuelle, les noyaux initiaux doivent se déplacer très rapidement. La température joue donc un rôle clé dans la fusion nucléaire. Au centre du Soleil, le processus se produit à une température de 15 millions de degrés Celsius, mais il est facilité par la densité colossale de matière due à l'action de la gravité. La masse colossale de l’étoile en fait un réacteur thermonucléaire efficace.

Il n’est pas possible de créer une telle densité sur Terre. Tout ce que nous pouvons faire, c'est augmenter la température. Pour que les isotopes de l'hydrogène cèdent l'énergie de leurs noyaux aux terriens, il faut une température de 150 millions de degrés, soit dix fois plus élevée que celle du Soleil.

Aucun matériau solide de l’Univers ne peut entrer en contact direct avec une telle température. Donc, construire simplement un poêle pour cuire de l’hélium ne fonctionnera pas. La même chambre toroïdale dotée de bobines magnétiques, ou tokamak, permet de résoudre le problème. L'idée de créer un tokamak est née dans l'esprit brillant de scientifiques de différents pays au début des années 1950, alors que la primauté est clairement attribuée au physicien soviétique Oleg Lavrentyev et à ses éminents collègues Andrei Sakharov et Igor Tamm.

Une chambre à vide en forme de tore (un beignet creux) est entourée d'électroaimants supraconducteurs qui y créent un champ magnétique toroïdal. C'est ce champ qui maintient le plasma, chaud jusqu'à dix fois le soleil, à une certaine distance des parois de la chambre. Avec l'électro-aimant central (inducteur), le tokamak est un transformateur. En modifiant le courant dans l'inducteur, ils génèrent un flux de courant dans le plasma - le mouvement des particules nécessaire à la synthèse.

Février 2012. 493 colonnes de 1,7 mètre de haut dotées de plots d'isolation sismique en sandwich caoutchouc-métal ont été installées.

Le Tokamak peut à juste titre être considéré comme un modèle d’élégance technologique. Le courant électrique circulant dans le plasma crée un champ magnétique poloïdal qui entoure le cordon plasma et conserve sa forme. Le plasma existe dans des conditions strictement définies, et au moindre changement, la réaction s'arrête immédiatement. Contrairement à un réacteur de centrale nucléaire, un tokamak ne peut pas « se déchaîner » et augmenter la température de manière incontrôlable.

Dans le cas peu probable d’une destruction du tokamak, il n’y aurait pas de contamination radioactive. Contrairement à une centrale nucléaire, un réacteur thermonucléaire ne produit pas de déchets radioactifs et le seul produit de la réaction de fusion - l'hélium - n'est pas un gaz à effet de serre et est utile à l'économie. Enfin, le tokamak utilise le carburant avec beaucoup de parcimonie : lors de la synthèse, seules quelques centaines de grammes de substance sont contenues dans la chambre à vide, et l'approvisionnement annuel estimé en carburant pour une centrale électrique industrielle n'est que de 250 kg.

Avril 2014. La construction du bâtiment du cryostat est terminée et les murs de la fondation du tokamak de 1,5 mètre d'épaisseur ont été coulés.

Pourquoi avons-nous besoin d’ITER ?

Les tokamaks de conception classique décrite ci-dessus ont été construits aux États-Unis et en Europe, en Russie et au Kazakhstan, au Japon et en Chine. Avec leur aide, il a été possible de prouver la possibilité fondamentale de créer un plasma à haute température. Cependant, construire un réacteur industriel capable de fournir plus d’énergie qu’il n’en consomme est une tâche d’une échelle fondamentalement différente.

Dans un tokamak classique, le flux de courant dans le plasma est créé en modifiant le courant dans l'inducteur, et ce processus ne peut pas être sans fin. Ainsi, la durée de vie du plasma est limitée, et le réacteur ne peut fonctionner qu'en mode pulsé. L’allumage du plasma nécessite une énergie colossale : ce n’est pas une blague de chauffer quoi que ce soit à une température de 150 000 000 °C. Cela signifie qu’il est nécessaire d’atteindre une durée de vie du plasma qui produira l’énergie nécessaire à l’allumage.

Le réacteur à fusion est un concept technique élégant avec des effets secondaires négatifs minimes. Le flux de courant dans le plasma forme spontanément un champ magnétique poloïdal qui maintient la forme du filament du plasma, et les neutrons de haute énergie qui en résultent se combinent avec le lithium pour produire du précieux tritium.

Par exemple, en 2009, lors d'une expérience sur le tokamak chinois EAST (qui fait partie du projet ITER), il a été possible de maintenir le plasma à une température de 10 7 K pendant 400 secondes et de 10 8 K pendant 60 secondes.

Pour conserver le plasma plus longtemps, des radiateurs supplémentaires de plusieurs types sont nécessaires. Tous seront testés à ITER. La première méthode - injection d'atomes de deutérium neutres - suppose que les atomes entreront dans le plasma pré-accélérés à une énergie cinétique de 1 MeV à l'aide d'un accélérateur supplémentaire.

Ce processus est initialement contradictoire : seules les particules chargées peuvent être accélérées (elles sont affectées par un champ électromagnétique), et seules les particules neutres peuvent être introduites dans le plasma (sinon elles affecteront le flux de courant à l'intérieur du cordon plasma). Par conséquent, un électron est d’abord retiré des atomes de deutérium et les ions chargés positivement entrent dans l’accélérateur. Les particules entrent ensuite dans le neutraliseur, où elles sont réduites en atomes neutres en interagissant avec le gaz ionisé et introduites dans le plasma. L'injecteur mégavoltage ITER est actuellement en cours de développement à Padoue, en Italie.

La deuxième méthode de chauffage a quelque chose en commun avec le chauffage des aliments au micro-ondes. Il s'agit d'exposer le plasma à un rayonnement électromagnétique d'une fréquence correspondant à la vitesse de déplacement des particules (fréquence cyclotron). Pour les ions positifs, cette fréquence est de 40 à 50 MHz et pour les électrons, de 170 GHz. Pour créer un rayonnement puissant d'une fréquence aussi élevée, un appareil appelé gyrotron est utilisé. Neuf des 24 gyrotrons d'ITER sont fabriqués dans l'usine Gycom de Nijni Novgorod.

Le concept classique d'un tokamak suppose que la forme du filament du plasma est soutenue par un champ magnétique poloïdal, lui-même formé lorsque le courant circule dans le plasma. Cette approche n’est pas applicable au confinement du plasma à long terme. Le tokamak ITER est doté de bobines à champ poloïdal spéciales dont le but est d'éloigner le plasma chaud des parois du réacteur. Ces bobines comptent parmi les éléments structurels les plus massifs et les plus complexes.

Afin de pouvoir contrôler activement la forme du plasma, en éliminant rapidement les vibrations aux bords du cordon, les développeurs ont prévu de petits circuits électromagnétiques de faible puissance situés directement dans la chambre à vide, sous le boîtier.

L’infrastructure des combustibles pour la fusion thermonucléaire est un autre sujet intéressant. Le deutérium se trouve dans presque toutes les eaux et ses réserves peuvent être considérées comme illimitées. Mais les réserves mondiales de tritium s'élèvent à plusieurs dizaines de kilogrammes. 1 kg de tritium coûte environ 30 millions de dollars. Pour les premiers lancements d'ITER, il faudra 3 kg de tritium. À titre de comparaison, environ 2 kg de tritium par an sont nécessaires pour maintenir les capacités nucléaires de l’armée américaine.

Mais à l’avenir, le réacteur s’approvisionnera en tritium. La principale réaction de fusion produit des neutrons de haute énergie capables de convertir les noyaux de lithium en tritium. Le développement et les tests de la première paroi du réacteur au lithium constituent l'un des objectifs les plus importants d'ITER. Les premiers tests utiliseront des gaines en béryllium-cuivre dont le but est de protéger les mécanismes du réacteur de la chaleur. Selon les calculs, même si nous transférons tout le secteur énergétique de la planète vers des tokamaks, les réserves mondiales de lithium seront suffisantes pour mille ans de fonctionnement.

La préparation du chemin ITER de 104 kilomètres a coûté à la France 110 millions d'euros et quatre années de travaux. La route reliant le port de Fos-sur-Mer à Cadarache a été élargie et renforcée afin de permettre le transport des parties les plus lourdes et les plus volumineuses du tokamak jusqu'au site. Sur la photo : un transporteur avec une charge d'essai pesant 800 tonnes.

Du monde via tokamak

Le contrôle de précision d’un réacteur à fusion nécessite des outils de diagnostic précis. L'une des tâches clés d'ITER est de sélectionner le plus approprié parmi les cinq douzaines d'instruments actuellement testés et de commencer à en développer de nouveaux.

Au moins neuf appareils de diagnostic seront développés en Russie. Trois d'entre eux se trouvent à l'Institut Kurchatov de Moscou, dont un analyseur de faisceaux de neutrons. L'accélérateur envoie un flux focalisé de neutrons à travers le plasma, qui subit des changements spectraux et est capturé par le système récepteur. La spectrométrie avec une fréquence de 250 mesures par seconde montre la température et la densité du plasma, l'intensité du champ électrique et la vitesse de rotation des particules - paramètres nécessaires au contrôle du réacteur pour le confinement à long terme du plasma.

L'Institut de recherche Ioffe prépare trois instruments, dont un analyseur de particules neutres qui capture les atomes du tokamak et permet de surveiller la concentration de deutérium et de tritium dans le réacteur. Les appareils restants seront fabriqués à Trinity, où sont actuellement fabriqués les détecteurs de diamant destinés à la chambre à neutrons verticale d'ITER. Tous les instituts ci-dessus utilisent leurs propres tokamaks pour les tests. Et dans la chambre thermique du NIIEFA Efremov, des fragments de la première paroi et de la cible déviatrice du futur réacteur ITER sont testés.

Malheureusement, le fait que de nombreux composants d’un futur méga-réacteur existent déjà dans le métal ne signifie pas nécessairement que le réacteur sera construit. Au cours de la dernière décennie, le coût estimé du projet est passé de 5 à 16 milliards d'euros et le premier lancement prévu a été reporté de 2010 à 2020. Le sort d’ITER dépend entièrement des réalités de notre présent, principalement économiques et politiques. Pendant ce temps, tous les scientifiques impliqués dans le projet croient sincèrement que son succès peut changer notre avenir au-delà de toute reconnaissance.