Méthodes de fusion

La fusion nucléaire est réalisée en fournissant aux particules atomiques suffisamment d’énergie pour surmonter les forces de répulsion électrique. Des niveaux d’énergie de 10 à 100 KeV sont requis, où 1 eV correspond à une température de 11600 °K (11326,85 °C). Ils pourraient être réalisés en visant des particules uniques avec des rayons de haute énergie ou des lasers ou en chauffant avec des micro-ondes un nuage de gaz piégé par le champ magnétique. La première méthode, connue sous le nom de fusion inertielle, produirait des systèmes pulsés rapides travaillant avec nombreuses lignes parallèles. La deuxième méthode, connue sous le nom de fusion magnétique, est plus massive et continue, donc apparemment plus propre à la production d’énergie au niveau industriel.

La fusion magnétique a été étudiée dans le monde depuis 1950, à l’intérieur de solénoïdes fabriqués par des conducteurs en cuivre ou en faisant circuler les courants directement à travers le gaz sous forme de décharges électriques. Les températures élevées et les réactions nucléaires avec production de neutrons n’ont été obtenues que pendant quelques microsecondes parce que les particules se sont échappées aux deux extrémités.

Les solénoïdes circulaires, en forme de bagues (c’est-à-dire de tore géométrique), n’étaient pas bons parce que les particules dérivaient en haut ou en bas contre les parois, jusqu’à ce que les Russes induisent un courant circulaire dans le gaz. Les lignes magnétiques circulaires deviennent hélicoïdales annulant la dérive verticale des particules : le Tokamak a été inventé. Depuis 1970, la majorité de la recherche sur la fusion dans le monde est basée sur le schéma Tokamak.

Après le succès initial et sa généralisation, le Tokamak s’est amélioré lentement jusqu’en 1980, lorsque certaines centrales nucléaires à des fins d’essai ont été construites après la première crise énergétique mondiale de 1973: le Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) à Princeton NJ-USA et le Joint European Torus (JET) à Cuhlam UK-EU. Les deux systèmes ont un noyau de quelques milliers de mètres cubes, ils sont alimentés par des centaines de MW et configurés pour un fonctionnement D-T étendu. En fait, peu d’épreuves symboliques ont été réalisés avec D-T. De nouvelles difficultés ont conduit à des efforts conjoints dans le monde entier en 1991 et ont tenté de parvenir à la fusion avec un nouveau Tokamak ITER vraiment grand, dont la construction a commencé en 2006.

ITER (acronyme de International Thermonuclear Experimental Reactor) vise à étudier le plasma thermonucléaire dans des conditions de combustion, mais ce n’est pas un réacteur car il a besoin de Tritium produit ailleurs. C’est pourquoi un autre prototype DEMO est nécessaire après ITER, pour démontrer la capacité de générer le Tritium destiné à sa propre consommation.

Pourquoi Polomac

Le travail acharné effectué pour améliorer le Tokamak depuis les années 1970 a conduit à de rares résultats car le plasma est perturbé par le grand courant toroïdal. Elle origine des forces mutuelles avec les autres bobines et déclenche des instabilités. En fait, dans les Stellarators utilisant des champs magnétiques produits par des bobines externes sans aucun courant dans le plasma, le confinement de l’énergie est meilleur. Le problème du Stellarator est: la conception et la construction des bobines 3D et l’espace mince entre le plasma et les bobines.

Le Polomac, comme le Stellarator, n’a pas besoin de courant dans le plasma. Les dérives de particules dues à la courbure des lignes de champ magnétique poloïdal sont acceptées car elles visent à l’intérieur du plasma et se compensent mutuellement. Ainsi, les dérives ne produisent aucune séparation de charge.

Le champ magnétique constant est produit par des bobines externes, qui sont plates et faciles à construire. Le Polomac diffère des tests magnétiques poloïdaux fermés antérieurs (Levitron, Stator, Spherator, JFT-1, Intrap, LDX) dans les tunnels magnétiques, une nouvelle caractéristique qui pourrait enfin nous amener à l’énergie de fusion nucléaire.

Efficacité

L’efficacité de confinement est le rapport entre la densité d’énergie du plasma et la densité d’énergie du système de confinement magnetique. Un plasma nucléaire à 10 keV avec une densité de 10^20 particules par mètre cube atteint 0,16 MJ par mètre cube, soit 0,16 MPa. Rappelez-vous que la densité d’énergie correspond à une pression. La densité d’énergie correspondant au champ toroïdal d’ ITER 5,3 T est de 11,17 MPa. L’efficacité énergétique du Tokamak est alors de 0,16 MPa sur 11,17 MPa, c’et à dire 1,4%. Ce paramètre est normalement appelé Bêta.

Au lieu de cela, le Polomac devrait reproduire l’efficacité du « thêta Pinch »et fonctionner avec Beta jusqu’à 0,7-0,8. Déjà avec Beta 0.5 et un champ magnétique de 3 T, il pourrait piéger le plasma à 100 keV.

Réaction D-D

Tout en fonctionnant à bêta élevé avec une augmentation de 10 du temps de confinement par rapport aux valeurs actuelles des Tokamaks, c’est-à-dire de 5 à 50s, le Polomac peut produire de l’énergie à partir de la réaction Deutérium-Deutérium, sans apport exterieur de Tritium.

Selon le critère de Lawson pour la combustion du plasma, le triple produit de la densité, de la température et du temps de confinement de l’énergie, pour la réaction D-D doit être presque 200 fois plus grand que dans la réaction D-T, qui est la référence actuelle dans ITER et dans DEMO. L’augmentation de la température de 10 à 100 KeV et du temps de confinement de 5 à 50 s ainsi que peu de densité plus élevée peuvent répondre au critère de Lawson.

Étant donné que la section transversale de la réaction D-D est environ 100 fois inférieure à celle de D-T, la taille du réacteur correspondant pourrait être plus grande, bien qu’un meilleur confinement et des paramètres de fonctionnement plus élevés attendus dans le Polomac devraient permettre une densité de puissance de 1 à 3 MW / m3, comme on le suppose actuellement dans les études du recteur Tokamak. Un réacteur D-D est sûrement plus simple, car il n’a pas besoin de manteau nucléaire pour générer le Tritium.

La construction d’un grand Polomac n’est pas exigeante en tant que Tokamak, car il n’y a qu’un seul système de bobines plates fonctionnant à 3T. Le supraconducteur est Nb-Ti au lieu de Nb-Sn, donc la fabrication de bobines est moins exigeante.