Tokamak

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Un tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à contrôler un plasma nécessaire à la production d'énergie par fusion nucléaire. Ce terme vient du russe « toroidalnaja kamera magnetnaja katuska » (en français : chambre toroïdale à confinement magnétique). On rencontre - plus rarement - la graphie tokomak.

Il s'agit d'une technologie expérimentale. L'objectif serait de produire de l'électricité en récupérant la chaleur produite par la réaction de fusion nucléaire.

Le tokamak fut inventé par les Russes Igor Yevgenyevich Tamm et Andreï Sakharov.

Sommaire

1 Le principe
2 Les conditions nécessaires
- 2.1 La température de fusion
- 2.2 Le confinement du plasma
3 Les avantages
4 Les difficultés
5 Les prototypes
6 Liens externes

Le principe

Image:Nuclear fusion dt reaction.gif

La fusion nucléaire permet à partir de deux atomes très légers (par exemple le deutérium et le tritium) de créer des atomes plus lourds. Cette transformation produit un défaut de masse qui se manifeste sous forme d'énergie (E=mc² où E est l'énergie produite, m la masse disparue et c la vitesse de la lumière). Cet excès d'énergie peut se transformer en excès de chaleur qui par convection peut être convertie en électricité au moyen d'une turbine.

Les conditions nécessaires

La température de fusion

Pour produire une réaction de fusion nucléaire il faut chauffer la matière à de très hautes températures (plusieurs centaines de millions de degrés). Dans ces conditions les électrons se détachent complètement de leur noyau, on dit que l'atome s'ionise. La matière entre dans un nouvel état : l'état de plasma (pour la fusion, cet évènement est appelé le breakeven).

Afin d'obtenir de telles températures plusieurs méthodes sont disponibles :

l'utilisation de l'effet Joule produit par le déplacement des électrons (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de 10 millions de degrés) ;
l'injection de particules accélérées dans un accélérateur de particule annexe ;
l'échauffement obtenu par de puissants lasers (Effet Compton) ;
l'utilisation d'ondes électromagnétiques aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du Four à micro-ondes).

Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire serait sûrement obtenue par une combinaison de ces méthodes.

Mais plus encore, si les réactions de fusion sont en nombre suffisant, la température alors produite permettrait d'auto-entretenir les conditions de la réaction (Ce seuil est appelé ignition du plasma). On pourrait alors contrôler cet état en injectant la matière nécessaire à la réaction. Dans de telles conditions, le facteur du bilan d'énergie entre l'énergie nécessaire à la réaction et celle produite par la réaction deviendrait infini.

Mais pour obtenir de telles conditions il est nécessaire de contenir suffisamment longtemps une assez grande quantité de plasma.

Le confinement du plasma

Image:Intérieur du tokamak JET en fonctionnement.jpg

L'enjeu consiste alors à contrôler ce plasma au cœur du tokamak dans un volume limité et suffisamment éloigné des équipements. Comme le plasma est constitué de particules chargées, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur d'un tore au moyen de champs magnétiques. Pour cela on doit créer un champ toroïdal auquel on associe une composante de champ qui lui est perpendiculaire (champ poloïdal). Dans les dispositifs du type Tokamak, le champ poloïdal est créé par un fort courant induit au sein même du plasma.

Ce dispositif se distingue des Stellarators, qui adoptent la même configuration de chambre à fusion de forme torique, mais au sein desquels aucun courant ne circule dans le plasma.

Les avantages

Les avantages d'une telle technologie sont variés :

Une grande quantité de « carburant » fusible disponible : la matière fusible choisie est constituée de deutérium et de tritium. On trouve le deutérium (ou eau lourde quand cet isotope est combiné à l'oxygène) à l'état naturel (1 atome de Deutérium pour 6 000 atomes d'hydrogène dans l'eau soit 30 mg/l d'eau). Et on peut facilement réintroduire le tritium produit par la réaction de fusion du réacteur. (Le réacteur auto-produirait ainsi une partie de son combustible).
Une faible production d'éléments radioactifs : le combustible est faiblement radioactif (tritium) et sa production reste confinée dans l'enceinte du réacteur. À la fin de vie du réacteur, les éléments radioactifs à recycler sont pour la plupart dits « à vie courte ».
Un faible risque d'accident nucléaire majeur : étant donné les conditions strictes nécessaires à la fusion, toute anomalie dans l'état de la réaction provoque l'arrêt immédiat des réactions en cours. Il n'y a donc pas de risque d'emballement de la réaction.

Les difficultés

Cette technologie est encore difficile à maîtriser :

La physique des plasmas n'est pas encore bien maitrisée, il est notamment très difficile de modéliser le comportement d'un plasma dans un confinement magnétique.
Le choix et l'utilisation des matériaux sont très importants car les contraintes imposées sont nombreuses (température, résistance aux champs magnétiques, stabilité aux radiations, importante durée de vie ...).
Le tritium pose le problème de sa diffusion élevée dans les différents matériaux. Cela complique d'autant le choix de ces matériaux et la décontamination du tritium.
Pour atteindre l'objectif d'une fusion auto-entretenue rentable, il est nécessaire de confiner une grande quantité de plasma. La rentabilité des plasmas obtenus se lie à la taille des installations. Par exemple, la durée de confinement du plasma utile (fusible) varie avec le carré du grand rayon du plasma traité. Ainsi, malgré le faible coût d'acquisition du combustible, les charges concernant la construction et la maintenance de tels dispositifs seront très importantes.