La fusion thermonucléaire contrôlée

Jean-Louis Bobin

Description

C'est une aventure singulière initiée dans les années 1950. Une communauté scientifique internationale, soutenue par les pouvoirs publics des nations les plus riches, s'est fixée pour objectif de réaliser la fusion d'éléments légers afin de contribuer à la production d'électricité. Quand ? Comment ? À quel prix ? Autant de questions aux réponses incertaines.

Les bases physiques de la fusion nucléaire sont connues depuis longtemps. Elles ont conduit à de vastes programmes lancés vers 1970 dans deux directions : les tokamaks pour le confinement magnétique et les lasers multifaisceaux pour le confinement inertiel. Jusqu'aux étapes clés actuelles que sont ITER et les lasers mégajoule, les avancées ont été spectaculaires mais insuffisantes. Après plus d'un demi-siècle de recherches et de développement, la preuve n'est toujours pas apportée d'une énergie de fusion supérieure à l'énergie investie dans le fonctionnement du dispositif. Il faudra encore de longs délais avant d'envisager une exploitation industrielle, un autre demi-siècle peut-être ?

Si d'autres recherches se poursuivent en marge, notamment sur les systèmes hybrides fusion-fission, le réacteur à fusion tel qu'on l'imagine en 2011 se situe dans le prolongement des deux grandes filières que sont les tokamaks et la voie inertielle par laser.

L'avenir n'est pas écrit. La seule certitude est que si l'on parvient à maîtriser la fusion thermonucléaire, l'humanité disposera d'une ressource très abondante pour satisfaire sa demande d'énergie électrique, sans émission de gaz à effet de serre et avec une radioactivité posant moins de problèmes que celle de l'énergie de fission.

 

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Techniques
• Energie et Environnement
• Energie & environnement
• Science
• Nucléaire
• Nuclear
• Physics
• Sciences et techniques

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 01 septembre 2011
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759812172
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 49 Mo

Extrait

LA FUSION THERMONUCLÉAIRE CONTRÔLÉE JeanLouis Bobin

Collection « Une Introduction à » dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac

La fusion thermonucléaire contrôlée

JeanLouis Bobin Université Pierre et Marie Curie

17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

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Imprimé en France.

©2011, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 1224, L. 1225 et L. 3352 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : [phone].

ISBN9782759805730

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JeanLouis Bobin, ancien élève de l ’École Polytechnique, docteur ès sciences, est professeur à l’université Pierre et Marie Curie (Paris 6) depuis 1981, après avoir été ingénieur de recherches au Commissariat à l’Énergie Atomique. Spécialiste de l’interac tion laserplasma : fusion inertielle induite par laser, effets non li néaires appliqués au diagnostic des plasmas et à l’accélération des électrons, il s’est aussi intéressé aux problèmes associant l’énergie et la société. Il est auteur ou coa uteur d’ouvrages sur l’énergie, la fusion ou encore la relativité ainsi que de nombreuses publi cations dans des revues spécialisées. Professeur émérite depuis 2002, il est rattaché au laboratoire de Physique Atomique des Plasmas Denses (PAPD), antenne parisienne du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) de l’École Polytechnique.

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Remerciements

Ce livre a été écrit à l’initiative de la commission Énergie et Environnement de la Société Française de Physique. Mes remerciements vont à : •Daniel Heuer son président et Élisabeth Huffer, membre de la commission, qui ont relu le manuscrit et suggéré de multiples améliorations ; •Stephan Weber (CELIA, Centre Lasers Int enses et Applications de l’université de Bordeaux) pour les passages consa crés aux hybrides fusionfission ; •Gilbert Payan (consultant) qui a attiré mon attention sur les travaux et les réalisations de Robert W. Bussard.

La version finale doit beaucoup aux critiques constructives de Michel Le Bellac et Michèle Leduc, directeurs attentifs et rigoureux de la collection « Une introduction à. . . » aux éditions EDP Sciences.

Enfin je remercie Jean Jacquinot qui a bien voulu écrire la préface et a lui aussi contribué à l’amélioration du texte.

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Remerciements

Préface

Unités

Avantpropos

1

2

3

Table des matières

1

7

11

13

Un peu de physique de base17 1.117. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atomes . 1.219. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Noyaux . 1.321Réactions nucléaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Réactions thermonucléaires25 2.1Réactions nucléaires de fusion 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2L’hydrogène, combustible du Soleil et des autres étoiles . . . . . . . . .27 2.328Les réactions du deutérium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.431Régime thermonucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. . . . . . . . . . .Allumage et entretien de la réaction thermonucléaire 3 2.6. . . . . . . . . . . . . . . . . Le régime stationnaire : critère de Lawson . 37 2.738Le régime explosif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Plasm as43 3.1L’état de plasma 43. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2Collisions coulombiennes dans un plasma 46. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3Création de plasmas 48. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4Le plasma magnétisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5Diffusion des particules chargées à travers un champ magnétique . . . 51

4

5

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3.652Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.754. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ondes non linéaires et turbulences 3.8. . . . . . . . . . . . . . . . Les plasmas naturels et les plasmas de fusion 55 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Quelques aspects du confinement magnétique59 4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Principe . 4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Plasmas parcourus par un courant . 4.362. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stabilité . . . . . . . . . . 4.464. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configurations fermées . 4.5Équilibre et stabilité d’un anneau de plasma porteur de courant . . . . 66 4.6Trajectoires des particules chargées dans un anneau de plasma parcouru par un courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Autres instabilités du tore 70 4.8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les tores compacts 72 4.972Stellarators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

La filière tokamak77 5.177. . . . . . . . . . . . . . . . . Description et mise en œuvre d’un tokamak 5.2Les raisons d’une course au volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Chauffages auxiliaires 5.486. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trois générations de tokamaks 5.591Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

ITER et programmes annexes95 6.195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Un projet fédérateur 6.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98La machine ITER 6.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102ITER et la sûreté . . 6.4La question des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility) . . . . . . . . . 107 6.6Controverses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Quelques aspects du confinement inertiel. Le rôle des lasers111 7.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Contrôle d’une microexplosion 7.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113. . . . . Dynamique de la compression 7.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116Interaction laser cible solide 7.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Instabilités . . . . . 7.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120L’attaque indirecte .

4

Table des matières