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#Fusion101
La fusion nucléaire consiste, en simplifiant beaucoup, à chauffer un gaz à 150 millions de degrés dans une boite métallique pour générer de l’énergie.
Comment récupère-t-on cette énergie ? et surtout quels sont les contraintes sur les matériaux proches du plasma ?
La fusion nucléaire consiste, en simplifiant beaucoup, à chauffer un gaz à 150 millions de degrés dans une boite métallique pour générer de l’énergie.
Comment récupère-t-on cette énergie ? et surtout quels sont les contraintes sur les matériaux proches du plasma ?
La réaction de fusion deutérium-tritium produit un neutron, qui porte 80% de l’énergie de la réaction et un atome d’hélium qui porte les 20% restants.
Le plasma est confiné par un ensemble de champs magnétiques. Les particules sont chargées (positivement pour les ions, négativement pour les électrons). Dans un champ magnétique une particule suit les lignes ‘de force’ et suivent un mouvement de gyration autour de ces lignes
La configuration la plus utilisée est celle dite du tokamak, inventée en URSS dans les années 1960. 2 champs magnétiques sont combinés pour créer une structure magnétique hélicoidale.
Les neutrons ne sont pas chargés et ne sont pas confinés par le champ magnétique. Ils sortent du plasma et ‘bombardent’ la première paroi qui constitue l’ensemble des composants faisant face au plasma. Dans ITER cela fait 400MW répartis sur environ 800m2- de l’ordre de 0.5MW/m2
Pour le plasma. Les particules passent en moyenne 3-4 secondes dans le plasma. On injecte du gaz en continu et on a un système d’échappement des particules qui s’échappent. Comme dans un moteur : injection, combustion (une petite partie du carburant) et échappement
L’hélium créé lors de la réaction est confiné dans le plasma et permet de chauffer le plasma. Dans ITER, le chauffage induit par la réaction de fusion sera de 100MW alors que la puissance de chauffage externe sera de 100MW. Le plasma sera donc en grande partie auto-chauffé
Les particules qui sortent du plasma (principalement par turbulence, le plasma est très turbulent) doivent suivre les lignes de champ magnétique et finissent pas toucher la paroi- on contrôle la structure pour contrôler où les impacts se font
Plus de 80% des particules sont dirigées vers le divertor- une structure dans le bas de la machine concue pour tolérer des flux de chaleur de l’ordre de 10MW/m2. Dans ITER ce divertor est en tungstène- métal avec le plus haut point de fusion (3422°C)
Le divertor d’ITER est fait de 54 cassettes montées sur rails. Une cassette fait 8 tonnes, comprend un support en acier (316L) et la partie face-plasma faite de petits cubes de tungstène. On utilise cette géométrie car les contraintes thermo-mécaniques sont très élevées.
Les composants formant une structure discontinue, il y a des petits désalignements. Le plasma pourrait les toucher à incidence normale ce qui concentrerait la puissance sur une très petite surface. Au contraire, on essaie d’obtenir une incidence rasante pour augmenter la surface
Pour éviter cela, on incline les différents composants pour protéger les bords d’attaque. Dans le divertor chaque cassette est inclinée pour protéger sa voisine. Les 300.000 blocs de tungstène sont biseautés pour protéger leur voisin. Un énorme travail d’ingéniérie
De même, la paroi principale est faite de 440 panneaux couverts de tuiles de beryllium. 18 variantes de panneaux, chacun avec une forme optimisée pour éviter tout bord d’attaque. Au total cela représente une surface de 640m2
De par la forme des panneaux, le plasma n’est en contact qu’avec 5-10% de la surface totale. Au démarrage les flux de chaleur peuvent atteindre 5MW/m2 pour quelques secondes. Moins en régime stationnaire. Le flux est très inhomogène
Les flux de chaleur dans ITER sont assez énormes- on a tendance à oublier ca quand on travaille dans le domaine. Mais 10MW/m2 ca fait fondre du tungstène en quelques secondes !!
Le plasma est instable et une instabilité, appelée ELM, expulse des gros filaments de plasma 10-100 fois par seconde. Les flux de chaleurs sont alors 1000 plus élevés. Sans contrôle on ferait fondre le tungstène en surface à chaque fois…
Mettre le soleil dans une boite c’est un gros défi. Dans un prochain thread on discutera en détail de comment cette puissance est déposée et controlée.
