2. CHEBARO Karim
EL JAMAL Rawane
OSMAN Myriam
SABRA Samer
Travaux Personnels Encadrés
Mars 2013
Lycée Abdel Kader
2
Design par Karim Chebaro
3. PLAN
I
INTRODUCTION
II
SOURCE
D’ENERGIE : LE
TRITIUM
II-A-1
Caractéristi-
ques
II-B
Tritium: Réactif
de la fusion
II-A-2
Origine
II-A
Le Tritium
III-B
Assurer les
nécessités de la
fusion
III-A
Mécanisme de
la réaction
IV
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
INERTIEL
III
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
MAGNETIQUE
II-B-1
Qu’est ce que
la fusion ?
II-B-2
Réaction de fusion
a la surface du
Soleil
IV-A
Le principe du
LMJ
IV-C
Physique de
l’interaction laser-cible :
les instabilités
« plasma »
IV-B
Mécanisme de la
fusion inertielle
3
5 6 6
7 9 10
11 12 13
14 16 19
20 21 23
Design par Karim Chebaro
4. PLAN
I
INTRODUCTION
II
SOURCE
D’ENERGIE : LE
TRITIUM
II-A-1
Caractéristi-
ques
II-B
Tritium: Réactif
de la fusion
II-A-2
Origine
II-A
Le Tritium
III-B
Assurer les
nécessités de la
fusion
III-A
Mécanisme de
la réaction
IV
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
INERTIEL
III
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
MAGNETIQUE
II-B-1
Qu’est ce que
la fusion ?
II-B-2
Réaction de fusion
a la surface du
Soleil
IV-A
Le principe du
LMJ
IV-C
Physique de
l’interaction laser-cible :
les instabilités
« plasma »
IV-B
Mécanisme de la
fusion inertielle
4
5 6 6
7 9 10
11 12 13
14 16 19
20 21 23
Design par Karim Chebaro
5. PLAN
I
INTRODUCTION
II
SOURCE
D’ENERGIE : LE
TRITIUM
II-A-1
Caractéristi-
ques
II-B
Tritium: Réactif
de la fusion
II-A-2
Origine
II-A
Le Tritium
III-B
Assurer les
nécessités de la
fusion
III-A
Mécanisme de
la réaction
IV
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
INERTIEL
III
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
MAGNETIQUE
II-B-1
Qu’est ce que
la fusion ?
II-B-2
Réaction de fusion
a la surface du
Soleil
IV-A
Le principe du
LMJ
IV-C
Physique de
l’interaction laser-cible :
les instabilités
« plasma »
IV-B
Mécanisme de la
fusion inertielle
5
5 6 6
7 9 10
11 12 13
14 16 19
20 21 23
Design par Karim Chebaro
6. PLAN
IV-D
Structure du
LMJ
V
CONSEQUENCE DE
LA FUSION
D-T
V-B
Approches
environnement-
ales
V-A
Impacts de La
Fusion D-T sur 2
échelles
6
26
31
28 28
3736
38 39
VII
CONCLUSION
IX
ANNEXE
VI
BIBLIOGRAPHIE
VII
SITOGRAPHIE
Design par Karim Chebaro
7. I
INTRODUCTION
L’énergie est indispensable dans tous les compartiments
de notre vie : nourriture, chauffage des habitations,
transports, alimentation des équipements, santé,
industrie. Les contraintes auxquelles la recherche est
confrontée sont de tailles. L’énergie ne se crée pas. Nous
ne savons que la transformer. Or, la demande en énergie
devrait au mieux doubler d’ici a 2050. Continuer à utiliser
massivement le pétrole, le charbon et le gaz nous
conduira droit dans le mur. Nous disposons de réserves
dans lesquelles nous puisons inexorablement et de
ressources. D’où la nécessité de rechercher de nouvelles
ressources d’énergies renouvelables, abondante, sans
effet nocif et assez puissante pour satisfaire les besoin de
l’avenir. D’ailleurs, le tritium, est le sujet de plusieurs
recherches grâce à son immense puissance capable
d’alimenter une ville entière avec peu de matières
premières.
Dans quelle mesure peut-on considérer le
tritium comme une source d’énergie pour
l’avenir ?
Nous présenterons d’abord le tritium, un isotope de
l’hydrogène, ainsi que son rôle en tant que réactif de la
fusion naturelle. Ensuite nous aborderons la fusion
contrôlée, source d’énergie, au sein du Tokamak et par
confinement inertiel. Enfin, nous traiterons des effets et
impact de cette dernière sur plusieurs échelles dont
l’être humain et l’environnement qui l’entoure. 7
8. II
SOURCE D’ENERGIE :
LE TRITIUM
II-A
Le Tritium
Tritium est un isotope radioactif de
l'hydrogène dont la vie moyenne est de
12,26 années, ce dernier est utilisé
dans la libération de l'énergie nucléaire
par fusion, comme la bombe à
hydrogène. Il est trois fois plus lourd
que l'hydrogène ordinaire et se trouve
en très faible quantité. Son taux de
concentration varie selon les
différentes zones terrestres, la latitude
et l’activité solaire.
8
Design par Karim Chebaro
10. Le tritium (T ou 3H) est un isotope radioactif de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2
neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de
protons. Il fut découvert en 1919 par Ernest Rutherford. Cela signifie que, même s’il a le
même comportement chimique que l’hydrogène, le tritium est instable et va se désintégrer.
Cette désintégration radioactive s’accompagne de l’émission de particules bêta faibles et elle
se produit à une vitesse telle que la quantité de tritium est réduite de moitié en 12,3 ans (sa
période radioactive). La majorité de l’hydrogène de notre environnement est présente sous
forme d’eau (une molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes
d’hydrogène). Le tritium se trouve donc presque toujours sous forme d’eau (un atome de
tritium remplaçant un des atomes d’hydrogène) et est présent dans l’environnement et chez
tous les êtres vivants. Aux températures ordinaires, le tritium est un gaz (au niveau
microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes ou de molécules très
faiblement liés et quasi indépendants) HT ou T2. En présence d'oxygène, il produit de l‘eau
tritiée (HTO) (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou
acide hydroxyque), s'il y a une source de chaleur ou une étincelle. En milieu sec, le tritium
gazeux se convertit en eau tritiée ; environ 1% du tritium est converti en 1 heure (L'heure est
une unité de mesure ), et d'autant plus vite que le milieu sera humide.
10
Design par Karim Chebaro
11. OrigineOrigine
Essentiellement les deux réactions naturelles suivantes dans l'atmosphère
Les neutrons étant eux-mêmes produits par impact des rayons cosmiques sur l'atmosphère. II y a
aussi en quantité bien plus faible une origine tellurique. Des corps radioactifs comme l'Uranium
et le Thorium produisent des neutrons qui bombardent les traces de 6Li présentes dans les
roches naturelles. Globalement, tous ces phénomènes produisent 0,2 kg de tritium par an.
L'inventaire naturel est de 3 à 4 kg dans toute l'atmosphère. Il arrive sur le sol avec les eaux de
pluie.
Le tritium est également produit par l'homme :
- les essais thermonucléaires ont injecté dans l'atmosphère une quantité de tritium environ 100
fois supérieure à l'activité naturelle (source CRIIRAD).
- les réacteurs nucléaires et le retraitement des déchets nucléaires produisent du tritium toxique,
aujourd'hui en grande partie dispersé dans l'environnement.
Nous pouvons donc constater que le tritium, un isotope radioactif de l’hydrogène, est très rare
dans le monde ce qui oblige l’homme à le produire. Cependant, malgré sa quantité négligeable
dans la nature pouvons-nous le qualifier de source d’énergie ?
II-A-2
11
14N+n --> 34He+T
14N+n --> 3 C + T (avec T désignant le tritium)
Design par Karim Chebaro
12. II-B
Tritium: Réactif de la
fusion
Avec la fusion, la Nature réalise
l'un de ses accomplissements les
plus spectaculaires. Comme le
Soleil, des milliards et des milliards
de chaudières de fusion illuminent
l'Univers, nous dispensant lumière
et énergie.
12
Design par Karim Chebaro
13. 1. Qu’est ce que la fusion ?
1. Qu’est ce que la fusion ?
II-B-1
La fusion est la réaction qui se produit
au cœur du Soleil et des étoiles d’une
façon naturelle. Ce que nous
percevons sous la forme de lumière et
de chaleur est le résultat de cette
réaction. Au cours de ce processus,
des noyaux d'atomes - dans le cas de
notre recherche il s’agit de
l’hydrogène - entrent en collision
et fusionnent pour donner naissance
à des atomes d'hélium plus lourds,
libérant de considérables quantités
d'énergie.
13
Design par Karim Chebaro
14. Réaction de fusion a la surface
du Soleil
Réaction de fusion a la
surface du Soleil
II-B-2
La force gravitationnelle des étoiles crée les conditions nécessaires à la fusion. Il y
a des milliards d'années, les nuages d'hydrogène de l'Univers primitif se sont
rassemblés sous l'effet de la gravité et ont donné naissance à des corps stellaires1
très massifs. Leur noyau extrêmement dense et chaud est le siège du processus de
fusion.
Les atomes sont animés d'un mouvement incessant. Plus ils sont chauds, plus ce
mouvement est rapide. Au cœur du Soleil, où la température atteint 15 millions de
degrés, les noyaux d'hydrogène entrent en collision à des vitesses très élevées. Ils
peuvent ainsi franchir la barrière que les forces électrostatiques dressent entre les
charges électriques positives dont ils sont porteurs.
En fusionnant, les noyaux d'hydrogène donnent naissance à un noyau d'hélium.
La masse de l'atome d'hélium ainsi obtenu ne correspond pas exactement,
toutefois, à la somme des masses des deux atomes de départ. Un peu de la masse
a disparu et une grande quantité d'énergie est apparue. Ce phénomène est
exprimé par la célèbre formule d'Einstein E=mc² : l'infime perte de masse (m)
multipliée par le carré de la vitesse de la lumière (c²) produit un nombre très élevé
(E) qui correspond à la quantité d'énergie créée par la réaction de fusion.
Chaque seconde, le Soleil transforme 600 millions de tonnes d'hydrogène en
hélium, libérant ainsi une gigantesque quantité d'énergie. Faute de pouvoir
disposer, sur Terre, de l'intensité de la force gravitationnelle à l'œuvre au cœur des
étoiles, une nouvelle approche a été développée pour réaliser des réactions de
fusion.
Le Soleil entouré par un nuage
d’hydrogene.
14
Design par Karim Chebaro
15. III
LA FUSION PAR
CONFINEMENT
MAGNETIQUE
Au XXe siècle, la science de la fusion a identifié la
réaction de fusion la plus efficace réalisable en
laboratoire: il s'agit de la réaction entre deux
isotopes de l'hydrogène (H), le deutérium (D) et le
tritium (T). La réaction de fusion D-T est celle qui
permet d'obtenir le gain énergétique le plus élevé
aux températures les plus « basses ». Mais elle
exige des températures de 150 millions de degrés,
soit dix fois plus que la réaction H-H qui se produit
au cœur du Soleil. À ces températures extrêmes, les
électrons sont séparés des noyaux et le gaz se
transforme en plasma, un gaz
chaud électriquement chargé. Dans les étoiles,
comme dans les machines de fusion, les plasmas
constituent un environnement dans lequel les
éléments légers peuvent fusionner et produire de
l'énergie.
Dans le cas d'ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor), la réaction de fusion se
produira dans un Tokamak, une machine qui utilise
des champs magnétiques pour confiner et contrôler
le plasma chaud.
15
16. Mécanisme de la réactionMécanisme de la réaction
III-A
Un plasma est une phase de la matière constituée de particules chargées, d'ions et
d'électrons, il peut être considéré comme un quatrième état de la matière. Lorsque le
plasma est traverse par un courant électrique, et les électrons acquièrent une énergie
suffisant pour être arrache du centre, ils accélèrent a cause du champ électro magnétique et
gagne de l’énergie. Ces électrons en mouvement ionisent le gaz ambiant. La lumière des
filaments du plasma résulte de l’excès en énergie émis lors de la désexcitation des atomes.
Globalement neutre, la présence de particules chargées donne naissance à des
comportements inexistants dans les fluides, en présence d'un champ électromagnétique par
exemple.
Les physiciens étudient les propriétés des plasmas dans les tokamaks depuis les années
soixante. La chambre en forme de « tore », ou d'anneau, des tokamaks constitua à l'époque
une véritable percée dans la physique des plasmas. Cette configuration en effet, permettait
d'obtenir des niveaux de température et des temps de confinement du plasma jamais
atteints auparavant.
La chambre du tokamak ITER sera deux fois plus grande que celle de la plus puissante des
machines aujourd'hui en fonctionnement et le plasma qu'elle contiendra (830 mètres cubes)
près de dix fois plus volumineux. Spontanément, le plasma occuperait la totalité du volume
de la chambre mais aucun matériau ne pourrait supporter le contact avec une matière
portée à température aussi extrême. En exploitant certaines propriétés physiques des
plasmas, les scientifiques sont parvenus à les « confiner » pour les maintenir à distance des
parois.
Les plasmas sont constitués de particules chargées (des noyaux positifs et des électrons
négatifs). Un plasma peut donc être confiné, et modelé, par des forces magnétiques.
Comme le fait la limaille de fer en présence d'un aimant, les particules contenues dans le
plasma suivent les lignes du champ magnétique. Celui-ci forme alors une enceinte
immatérielle, qui, à la différence d'un récipient solide, est insensible à la chaleur.
Les 48 éléments du système
magnétique d'ITER généreront
un champ magnétique environ
200 000 fois supérieur à celui de
la Terre.
16
17. ITER combinera délicatement différents champs magnétiques afin de conférer au plasma la
forme d'un anneau, et d'isoler celui-ci des parois relativement froides de la chambre. Ainsi, le
plasma conservera son énergie le plus longtemps possible. En confinant le plasma, la chambre à
vide constitue la première barrière de sûreté de l'installation.
La fusion du deutérium et du tritium (D-T) produira un noyau d'hélium, un neutron et de
l'énergie. Le noyau d'hélium est porteur d'une charge électrique. Il sera donc soumis aux champs
magnétiques du tokamak et restera ainsi confiné dans le plasma. Toutefois, 80 % environ de
l'énergie produite sera emportée hors du plasma par le neutron qui, n'étant pas chargé
électriquement, demeurera insensible aux champs magnétiques. Les neutrons seront absorbés
par les parois du tokamak, transférant leur énergie à ces dernières sous forme de chaleur.
Dans l'installation ITER, cette chaleur sera évacuée par des tours de refroidissement. Dans le
prototype de réacteur de fusion (DEMO), qui succédera à ITER, ainsi que dans les futures
installations industrielles de fusion, la chaleur sera utilisée pour produire de la vapeur et, au
moyen de turbines et d'alternateurs, de l'électricité.
17
Design par Karim Chebaro
18. Assurer les nécessités de la
fusion
Assurer les nécessités de
la fusion
III-B
• Modules Tritigènes expérimentaux :
La réaction de fusion deutérium-tritium (D-T) libère des neutrons à haute énergie ainsi que
des atomes d'hélium. Tandis que le plasma demeure confiné par les champs magnétiques
du tokamak, les neutrons, qui sont électriquement neutre, s'échappent et sont absorbées
par les « modules de couverture » qui tapissent la paroi. La présence de lithium dans ces
modules de couverture déclenche la réaction suivante: le neutron incident est absorbé par
l'atome de lithium, lequel se recombine alors en un atome de tritium et un atome d'hélium.
On peut ensuite extraire le tritium de la couverture, le recycler dans le plasma et le rendre à
sa fonction de combustible.
On appelle « couvertures tritigènes » les couvertures qui contiennent du lithium. La réaction
de fusion permet ainsi de produire du tritium de manière continue. Une fois la réaction de
fusion amorcée dans le tokamak ITER, il suffira pour l'entretenir de l'alimenter en deutérium
et en lithium, deux éléments disponibles en abondance.
L'approvisionnement en deutérium, en effet, peut être assuré par l'industrie et le lithium est
présent en abondance dans la croûte terrestre. Si la fusion devait à elle seule assurer
l'approvisionnement en électricité de l'ensemble de la planète, les réserves connues de
lithium y pourvoiraient pendant au moins mille ans.
Pour générer elles-mêmes la totalité du tritium dont elles auront besoin, les centrales de
fusion de demain devront produire de grandes quantités d'énergie. ITER expérimentera ce
concept fondamental d'autosuffisance en tritium.
Dans un tokamak, l'intérieur de la chambre est
tapissé de modules de couverture directement
positionnés face au plasma chaud. Dans le
tokamak ITER, certains de ces modules seront
conçus de manière à tester la production de
tritium à partir des neutrons générés par la
réaction de fusion. Photo: Le tokamak Tore Supra,
CEA de Cadarache.
18
Design par Karim Chebaro
19. • Atteindre les 150 000 000 °C
Pour obtenir des réactions de fusion, il faut porter les particules du plasma à très haute
température. ITER mettra simultanément en œuvre plusieurs techniques de chauffage pour
porter le plasma à 150 millions de degrés Celsius dans le cœur de la machine.
Dans le tokamak, les variations des champs magnétiques utilisés pour contrôler le plasma
génèrent un effet de chauffage. En effet, les phénomènes d'induction créent un courant
électrique de forte intensité. Lorsque ce courant circule dans le plasma, les électrons et les ions
sont excités et entrent en collision. Ces collisions créent une « résistance » qui produit à son tour
de la chaleur mais, paradoxalement, quand la température du plasma augmente, cette
résistance, et donc l'effet de chauffage qu'elle produit, diminuent. La chaleur transférée par ce
courant de haute intensité — le « chauffage ohmique » — ne dépasse pas une certaine intensité.
Pour obtenir des températures encore plus élevées et atteindre le seuil à partir duquel la fusion
devient possible, il faut utiliser d'autres méthodes de chauffage depuis l'extérieur du tokamak.
Pour porter le plasma d'ITER à la température recherchée, deux grandes techniques de
chauffage externes, l'injection de neutres et les ondes électromagnétiques à haute fréquence,
interviendront en complément du chauffage ohmique.
L'injection de neutres consiste à « tirer » des particules à haute énergie dans le plasma. À
l'extérieur du tokamak, des particules de deutérium chargées sont accélérées jusqu'au niveau
d'énergie nécessaire. Ces ions accélérés traversent ensuite un « neutralisateur de faisceaux
d'ions » qui élimine leur charge électrique. Les particules neutres peuvent alors pénétrer à
grande vitesse au cœur même du plasma au sein duquel, par le biais de collisions rapides, elles
transfèrent leur énergie aux particules déjà présentes dans le plasma.
Cette technique permet de transférer au plasma des millions de watts de puissance calorifique
et de porter ainsi sa température à un niveau plus proche de celui que requièrent les réactions
de fusion. Une troisième source de chaleur, les ondes électromagnétiques à haute fréquence,
sera intégrée à la conception du tokamak ITER pour faire monter la température jusqu'aux 150
millions de degrés Celsius requis.
La Couverture
19
Design par Karim Chebaro
20. Comme les micro-ondes du four du même nom communiquent la chaleur aux aliments,
l'énergie transportée par les ondes à haute fréquence qui pénètrent dans le plasma est
transférée aux particules chargées. Elles accélèrent ainsi leurs mouvements chaotiques et
augmentent leur température. Se fondant sur ce principe, ITER utilisera trois types d'ondes,
correspondant chacune à une certaine fréquence des ions et des électrons du plasma, de
manière à maximiser le transfert de chaleur.
Les effets du chauffage ohmique, de l'injection de neutres et des ondes à haute fréquence
se cumuleront dans le tokamak ITER pour porter le plasma à la température à laquelle les
réactions de fusion deviennent possibles. À terme, les chercheurs espèrent obtenir un
« plasma en combustion », dans lequel l'énergie des noyaux d'hélium produits par la
réaction de fusion suffira à entretenir la réaction. Il deviendra alors possible de minimiser le
recours aux méthodes de chauffage externes, voire de s'en passer totalement. L'obtention
d'un plasma en combustion générant de lui-même au moins 50 % de l'énergie nécessaire à
la réaction de fusion est une étape déterminante sur la voie de la production d'énergie de
fusion.
L'ambition s'est alors fait jour de reproduire sur Terre la réaction physique qui donne vie aux
innombrables étoiles de l'univers. La tâche toutefois, allait se révéler formidablement
difficile, beaucoup plus complexe et ardue qu'on ne l'aurait imaginé. D’autre part comme
toute réaction physico-chimique, la fusion de (D-T) affecte inévitablement son entourage.
Une équipe travaillant sur la recherche du
chauffage cyclotronique ionique, ITER India.
20
Design par Karim Chebaro
21. Le Laser Mégajoule assure les conditions
nécessaires pour une fusion par
confinement inertiel qui libère a son tour
une énergie supérieure à celle qui est
fournie par le laser. De nombreux
phénomènes physiques restent encore à
maîtriser pour exploiter ce procédé, tels que
l’interaction du faisceau laser avec le
plasma, les instabilités hydrodynamiques, les
équations d’état ou le rayonnement X émis
par la matière. Cette physique des plasmas
chauds est d’intérêt non seulement pour les
programmes de Défense et pour la
production d’énergie, mais également pour
d’autres disciplines, allant de la métallurgie à
l’astrophysique.
IV
La fusion par
confinement
inertiel
21
Design par Karim Chebaro
22. Principe du LMJPrincipe du LMJ
IV-A
Il a été compris dès les années 1960, que l’absorption de flux intenses d’énergie, délivrés
pendant des durées courtes, par les lasers de puissance pouvait conduire la matière dans
des conditions de densité, de pression et de température gigantesques, rencontrées
essentiellement dans les étoiles et les explosions nucléaires. Les scientifiques du CEA se sont
intéressés aux lasers de puissance dès leur apparition, et les ont utilisés pour produire les
premiers neutrons thermo-nucléaires. Le Laser MégaJoule (LMJ), implanté sur le site du
CESTA (Centre d’Etudes Scientifiques et Techniques d’Aquitaine), permettra de franchir le «
breakheaven», bilan positif entre l’énergie produite par les réactions thermonucléaires et
l’énergie fournie à la cible. Créer en laboratoire ces plasmas permettra de valider par parties
les différentes modélisations numériques utilisées pour la fusion thermonucléaire inertielle.
Le Laser Mégajoule (LMJ) est un des outils les plus importants du programme Simulation
(Le programme Simulation repose sur de grands équipements indispensables pour mettre
en œuvre et valider les modèles numériques de fonctionnement des armes nucléaires :
supercalculateurs, machine radiographique, laser Mégajoule (LMJ)). Il a pour but de récréer,
en laboratoire, des conditions thermodynamiques semblables à celles rencontrées lors du
fonctionnement d’une arme. Il permettra de confronter les théoriciens et les concepteurs
d’armes à la fusion en vraie grandeur tout en respectant l’environnement.
22
Design par Karim Chebaro
23. Mécanisme de la fusion
inertielle
Mécanisme de la fusion
inertielle
IV-B
Le principe de la fusion inertielle consiste à chauffer et comprimer une cible sphérique, de
façon isotrope, soit par rayonnement laser, soit par rayonnement X. Au cœur de la micro cible
illuminée par le laser règnent des conditions de température et de pression extraordinaires.
Dans ces conditions, la matière est un plasma au sein duquel des réactions particulières
peuvent se produire, notamment la fusion de mélange deutérium et tritium (FCI) avec la
réaction D + T −→He4 + n, c’est la réaction demandant le moins d’énergie.
Cependant de nombreux paramètres doivent être mesurés :
• l’énergie laser absorbée par la cible,
• la température atteinte par la cible,
• la répartition de la température,
• la vitesse d’implosion du microballon,
• le degré de symétrie de l’implosion,
• la densité et la température du mélange de deutérium et de tritium comprimé,
• l’énergie fournie par la fusion
du mélange de deutérium et de tritium
L’attaque directe :
Figure1 Allumage et combustion du
mélange combustible dans le schéma de fusion inertielle.
Le schéma de fusion par laser, le plus simple au niveau conceptuel, est désigné sous le
vocable d’attaque directe. Une intensité laser de l’ordre de 1014 à 1015 W/cm2 est envoyée sur
la cible par un grand nombre de faisceaux laser (figure 1a). L’énergie est absorbée par les
électrons situés en périphérie ce qui engendre un plasma de température 2-3 keV (1 keV = 10
millions °K), et donc une pression (dite d’ablation) très élevée de l’ordre de quelques
centaines de MBars. Le plasma se détend vers l’extérieur de la cible, et par réaction ou effet
fusée, il engendre un choc, qui accélère la cible, de façon centripète (figure 1b). La cible
implose, l’énergie cinétique se transformant en énergie interne ; le matériau fusible se
comprime et chauffe jusqu’à des températures de 5-10 keV au centre : les réactions de fusion
se déclenchent (figure 1c). Celles-ci vont s’entretenir et la combustion se propage sous forme
d’une onde de détonation, si les conditions d’allumage sont réunies : l’énergie apportée,
essentiellement par les particules α issues de la réaction DT, doit parvenir à compenser les
pertes par rayonnement et par conduction électronique. Le combustible brûle alors tant que
le système ne se disloque pas (figure 1d), et la durée du confinement inertiel dépend
essentiellement du produit ρR, produit de la masse volumique ρ par le rayon R de la sphère
de combustible comprimé. Dans ce schéma, on utilise la zone centrale comme une allumette
pour enflammer le reste du DT. Ce principe, appelé « allumage par point chaud », a un
avantage certain par rapport à l’allumage dans tout le volume : la masse portée aux
conditions d’allumage est plus faible (donnée par T = 5 keV et ρR = 0, 2 − 0, 3 cm−2 pour le
point chaud) et l’énergie nécessaire également.
23
24. L’implosion est réalisée par une succession de chocs faibles dont la chronométrie est finement
ajustée, par la mise en forme temporelle de l’impulsion laser, pour ne pas conduire à une
production d’entropie trop élevée, nuisant à la compression.
Le fonctionnement décrit ci-dessus suppose dans tous les cas, une irradiation parfaitement
isotrope. Dans un schéma d’attaque directe, ceci impose un grand nombre de faisceaux laser,
parfaitement équilibrés en puissance, précisément « pointés » et synchronisés, faute de quoi le
point chaud ne sera pas sphérique et l’ignition échouera.
L’attaque indirecte :
Une autre manière d’assurer une bonne isotropie est de recourir au schéma de l’attaque
indirecte (figure 2), considéré comme le scénario nominal pour le LMJ. Celui-ci consiste à
irradier, avec les faisceaux laser, une cavité métallique (en or habituellement) de quelques
millimètres, appelée « hohlraum». L’énergie déposée est convertie en rayonnement X qui
s’homogénéise en re-circulant à l’intérieur de la cavité. Elle se comporte alors comme un four
chauffé à une température radiative de 250 à 350 eV qui émet un rayonnement X, quasi-
planckien. Ce rayonnement attaque alors la capsule de DT et l’implose Le fonctionnement
décrit ci-dessus suppose dans tous les cas, une irradiation parfaitement isotrope. Dans un
schéma d’attaque directe, ceci impose un grand nombre de faisceaux laser, parfaitement
équilibrés en puissance, précisément « pointés » et synchronisés, faute de quoi le point chaud
ne sera pas sphérique et l’ignition échouera. Une autre manière d’assurer une bonne isotropie
est de recourir au schéma de l’attaque indirecte (figure 2), considéré comme le scénario
nominal pour le LMJ. Celui-ci consiste à irradier, avec les faisceaux laser, une cavité métallique
(en or habituellement) de quelques millimètres, appelée « hohlraum». L’énergie déposée est
convertie en rayonnement X qui s’homogénéise en re-circulant à l’intérieur de la cavité. Elle se
comporte alors comme un four chauffé à une température radiative de 250 à 350 eV qui émet
un rayonnement X, quasi-planckien. Ce rayonnement attaque alors la capsule de DT et
l’implose avec une bonne isotropie. On obtient également des pressions d’ablation plus
élevées qu’en attaque directe, à condition de remplacer le DT externe par une couche de
matériau « ablateur » adapté ; ceci permet d’envisager des cibles de dimensions plus petites
implosant plus rapidement. Par rapport à l’attaque directe, le rendement de conversion du
rayonnement laser en rayonnement X diminue l’efficacité du processus, mais le gain important
en symétrie d’implosion et la taille réduite des cibles, avantageuse vis-à-vis des instabilités
hydrodynamiques, compense cette perte de rendement. La démonstration du « breakheaven »
s’appuie sur le schéma d’attaque indirecte. Par contre, pour les réacteurs du futur, on pourrait
envisager d’utiliser le schéma d’attaque directe, avec des lasers pompés par diode, à l’étude
actuellement, ou de remplacer les faisceaux laser par des faisceaux d’ion lourds qui ont un
meilleur rendement énergétique, mais ne sont pas encore suffisamment focalisables. Il faudra
également surmonter les défis technologiques associés à la fabrication des cibles à haute
cadence et à la récupération de l’énergie de fusion produite ; différents concepts existent et
certaines recherches sont mutualisées avec la fusion magnétique.
Figure2 Schémas d’implosion : (a) : attaque
directe d’un micro-ballon rempli de
mélange DT ; les faisceaux sont directement
focalisés sur le microballon; (b) : attaque
indirecte : l’énergie laser est convertie en
rayonnementX qui éclaire uniformément le
microballon rempli de DT ; (c) : allumage
rapide : un laser de ultra-haute intensité
pénètre dans le plasma créé par implosion
d’un micro-ballon pour produire un point
chaud.
24
Design par Karim Chebaro
25. Physique de l’interaction laser-cible :
les instabilités « plasma »Physique de l’interaction laser-cible :
les instabilités « plasma »
IV-C
L’absorption de l’énergie laser dans une cavité, ou dans la capsule en irradiation directe, est
diminuée par la présence d’instabilités « plasma » qui provoquent une rétrodiffusion de la
lumière laser. Cette diffusion est due à un couplage résonnant, non linéaire, entre l’onde laser et
les ondes excitées dans le plasma (électronique ou ionique, pour les instabilités Raman, ou
Brillouin, respectivement). Les faisceaux se fragmentent en filaments de lumière au cours de leur
propagation, ce qui peut provoquer une inhomogénéité d’irradiation et une déflexion des
faisceaux.
La figure 3 montre la propagation d’un filament et illustre le problème de déflexion des
faisceaux. Celle-ci peut atteindre quelques degrés et conduire à une erreur de pointage des
faisceaux de l’ordre de quelques centaines de microns, non négligeable devant les dimensions
caractéristiques du hohlraum. La filamentation, et son incidence sur le taux de diffusion Brillouin
et Raman font l’objet de nombreuses études.
Figure 3 - Simulation bidimensionnelle de la
propagation d’un filament de lumière laser dans un
plasma. (réf : Pierre Michel, et al., Phys. of Plasmas
10, 9 (2003).
25
Design par Karim Chebaro
26. Les instabilités sont du type Rayleigh-Taylor ou Richtmeyer-Meshkov et résultent du fait que,
dans un milieu en accélération (ou décélération), l’interface entre une couche d’élément lourd
poussant une couche d’élément léger est instable. On les observe communément quand on
superpose un liquide lourd sur un liquide léger. Le liquide lourd pénètre dans le liquide léger,
sous forme d’aiguilles et le liquide léger forme des sortes de champignons, détruisant la
régularité de l’interface. Dans une implosion, une première instabilité intervient dans la phase
initiale, sur le front d’ablation qui pousse vers l’extérieur de la coquille. Cette instabilité peut
ne pas rompre la coquille si celle-ci est assez épaisse. Il faut alors plus d’énergie pour arriver à
chauffer le point chaud, d’où doivent partir les réactions nucléaires. L’instabilité la plus
dangereuse prend naissance plus tard, dans la phase de décélération, à l’interface entre le
point chaud et le combustible froid. La convergence de la coquille est alors très forte, et
amplifie les irrégularités de l’interface. L’uniformité d’éclairement de la capsule, et la maîtrise
de sa rugosité sont donc des points importants à contrôler. Des études, relevant de la
physique fondamentale, restent nécessaires pour obtenir une implosion optimisée. Connaître
les équations d’état et les coefficients d’absorption de la matière chaude et dense constitue
un des axes de recherche actuels. Il reste aussi à bien comprendre les conditions de
déclenchement des instabilités, instabilités hydrodynamiques qui peuvent détruire la symétrie
d’implosion, ou instabilités plasma qui modifient l’absorption d’énergie laser.
Solutions au problème d’instabilités « plasma »
Les techniques de lissage pour l’ignition sont utilisées pour minimiser l’effet des instabilités de
couplage laser-plasma.
Figure 4 - Instabilités hydrodynamiques au
cours de l’implosion d’un microballon
rempli de DT. Les zones instables sont
entourées le long de la courbe
représentant la position de la coquille en
fonction du temps. Les phases
d’accélération et décélération de la
coquille sont grisées. A gauche est
représenté un secteur de la cible initiale.
26
Design par Karim Chebaro
27. Cette expérience est menée dans le cadre des études de fusion en attaque directe(
Le laser vient directement délivrer son énergie au microballon, il y a interaction directe entre
le faisceau laser et le microballon contenant le mélange DT.)
Son objectif est de tester la faisabilité de lissage du faisceau laser par un plasma peu dense
permettant de diminuer l’effet d’empreinte des non-uniformités d’intensité du faisceau sur
le microballon en homogénéisant l’éclairement.
27
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29. La section amplificatrice
L’impulsion initiale sortie du pilote doit être fortement amplifiée dans le LMJ, afin d’obtenir
l’énergie nécessaire aux expériences (de l’ordre de 20 000 fois). C’est le rôle de la chaîne
amplificatrice, également appelée section amplificatrice ou chaîne de puissance. Afin
d’acquérir son énergie, le faisceau parcourt quatre fois la chaîne amplificatrice. Ce principe
a pour avantage d'extraire le maximum d'énergie des amplificateurs et de réduire les
dimensions de la section amplificatrice.
La fin de chaîne
Les faisceaux issus des sections amplificatrices sont transportés sur plus de 40 mètres vers
la salle d’expériences. Le faisceau est dévié par un jeu de six miroirs successifs qui
permettent de passer d'une configuration de faisceaux parallèles dans les halls laser à des
faisceaux convergeant sur la chambre d'expérience.
Chaque faisceau arrive à un système de conversion de fréquence et de focalisation (SCF). A
l’intérieur du SCF, la fréquence du faisceau passe de l’infrarouge à l’ultraviolet.
Il faut ensuite placer la cible au centre de la chambre d’expériences avec une précision de
15 millièmes de millimètres tout en la maintenant à une température suffisamment basse
pour que le mélange de deutérium et de tritium reste solide (-255°C).
Porte-cible cryogénique
Dans certaines expériences, en particulier celles de fusion, la cible sur laquelle les faisceaux
laser seront focalisés doit être portée à très basse température. Pour placer cette cible
cryogénique avec une grande précision au point de focalisation, la chambre d'expériences
est équipée d’un dispositif d’insertion, le porte-cible cryogénique. Son développement a
conduit à relever des défis dans les domaines de la mécanique et de la thermique.
Conclusions et perspectives
Bien qu’il ait été conçu, au départ, pour les besoins de la Défense, le Laser MégaJoule joue
un rôle stimulant pour le développement des lasers de puissance, et la physique des
plasmas chauds. On peut aussi envisager une utilisation rationnelle du temps de faisceau
qui sera ouvert à la communauté scientifique. Cette communauté est regroupée autour de
l’Institut Lasers et Plasmas (ILP) nouvellement créé pour fédérer les efforts académiques
autour de la fusion et l’interaction laser/plasma, stimuler la formation des jeunes, et enfin
coordonner l’accès de la communauté aux installations du LMJ , et de son prototype, la
Ligne d’Intégration Laser (LIL). L’ILP participe à la définition d’une partie des installations,
comme, par exemple, l’implantation d’un faisceau multi-pétawatt, picoseconde, couplé à la
LIL.
Nous sommes face a deux technique de confinement permettant la fusion D-T : le
confinement magnétique et le confinement inertiel. La fusion par confinement
magnétique utilisent une installation de type « tokamak », comme Tore Supra
aujourd'hui et Iter demain, qui va produire un plasma de faible densité durant un
temps assez long. Alors que la fusion par confinement inertiel (FCI) utilisent des
lasers de puissance comme le Laser Mégajoule ou son équivalent américain, le NIF,
qui vont produire un plasma très dense mais de très courte durée.
29
Design par Karim Chebaro
30. Le tritium ne présentera un risque
radiologique que s’il pénètre dans
l’organisme puisque Le rayonnement ß émis
possede une faible énergie et un faible
parcours. Trois voies d’exposition ont été
identifiées :
-Absorption par ingestion
-Absorption par inhalation
-Absorption par la peau
V
CONSEQUENCE DE
LA FUSION D-T
V-A
Impacts de La
Fusion D-T sur 2
échelles
30
31. • Absorption par ingestion
L’absorption du tritium (HT), de l’eau tritiée (HTO) et du tritium organique (Torga) est quasi
complète. En fonction de sa forme chimique, le tritium peut être absorbé directement ou
après dégradation de la molécule porteuse. En 30 minutes, la distribution est homogène dans
l’organisme.
• Absorption par inhalation
Le tritium, l’eau tritiée et dans une moindre mesure le tritium organique, peuvent être inhalés
sous forme gazeuse. Moins de 0,01 % de l’activité inhalée d’HT passe dans le sang où une
partie pourra être transformée en eau tritiée. 99 % de l’eau tritiée et du tritium organique
inhalés sous forme gazeuse ou d’aérosols sont transférés dans le sang sans modification de la
forme chimique.
• Absorption par la peau
Le tritium pénètre assez peu dans la peau. Il peut se combiner avec l’eau des tissus pour
former de l’eau tritiée et du tritium organique rapidement transférables au sang.
31
Design par Karim Chebaro
32. Les radiations ionisantes agissent sur le vivant à travers deux modes d’action :
- l’effet direct qui se traduit par des ruptures dans les liaisons covalentes, ce qui signifient
qu’elles « cassent » des molécules. Ainsi de telles cassures sur des molécules d’ADN
conduiront soit à des altérations de gènes, soit à des délétions ou aberrations
chromosomiques (pouvant entraîner la mort de la cellule).
- l’effet indirect qui conduit à la production de radicaux libres (espèces chimiquement
toxiques) à partir de la radiolyse de molécules d’eau. L’action prépondérante de ces espèces
radicalaires sur l’ADN constituera des lésions chimiques potentiellement mutagènes et/ou
cancérogènes.
Les rayonnements ionisants agissent au hasard. Aussi, au sein d’une cellule, toute molécule
peut être la cible de leur action. Cependant, en raison du rôle central du patrimoine
génétique dans le fonctionnement cellulaire, les lésions portées sur l’ADN seront
responsables de l’essentiel des dégâts biologiques observés. Ils induisent dans la matière
irradiée des événements initiaux (ionisations, excitations) pratiquement instantanés (de
l'ordre de 10-15 sec.) mais dont les conséquences pathologiques éventuelles peuvent
n'apparaître que plusieurs années ou décennies plus tard (risque cancérogène), voire dans la
descendance (risque génétique).
Certes, des mécanismes de réparation existent et une cellule altérée peut « se débarrasser »
d’anomalies radio-induites. Dans d’autres situations, l’anomalie n’est pas réparée ou elle est
mal réparée ce qui conduira à une cellule toujours vivante mais comportant une (ou des)
mutation(s) susceptible(s) de s’exprimer tardivement : risque de cancers ou d’effets
génétiques qui définissent les « effets stochastiques ».
Enfin, lorsque les doses sont élevées, les dégâts induits dans une cellule sont tels qu’ils
entraînent la mort de la cellule par nécrose. Quand, dans un tissu ou un organe, un grand
nombre de cellules sont ainsi atteintes, c’est le tissu même ou l’organe qui est alors
gravement affecté : on parle alors « d’effets déterministes ».
Les effets de la fusion D-T compares a ceux de la fission (impacts des déchets nucléaires
radioactifs sur l’homme et l’environnement) semblent négligeables.
32
Design par Karim Chebaro
33. Alors que le tritium admet des effets nocif
vis à vis de l’environnement Les
organisations responsables de ses projets
technologiques prennent en consideration
les normes placée par les associations
environementales. Dans cette perspectives,
plusieurs mesures sont mises en oeuvres en
faveur du developpement durable.
V-B
Approches
environnemen-
tales
33
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34. Les rejets (Exemple- Le Centre de Valduc)
Le centre de Valduc appartenant a l’organisation CEA usent de la fusion par confinement
inertielle afin de fabriquer des armes nucleaires.Ce dernier a uniquement une autorisation de
rejets d’effluents radioactifs gazeux.
Ces effluents sont traités avant rejet, pour atteindre un niveau de radioactivité le plus faible
possible. Ils sont ensuite contrôlés et rejetés dans l’environnement, dans le respect des
limites réglementaires fixées par arrêté d’autorisation.
Ces dispositions intéressent les installations dans lesquelles sont mises en œuvre des
substances radioactives. Les gaz radioactifs susceptibles d’être rejetés par
le centre de Valduc comportent :
• des halogènes et aérosols bêta,
• des aérosols alpha,
• des gaz rares,
• du tritium.
Les rejets radioactifs du centre de Valduc sont réglementés par l’arrêté du 3 mai 1995 qui fixe
les limites annuelles autorisées pour les effluents radioactifs gazeux, les conditions de ces
rejets ainsi que leurs modalités de mesure et de contrôle.
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Design par Karim Chebaro
35. 35
La surveillance du centre de Valduc s'appuie sur deux plans de contrôle :
• Le plan de contrôle réglementaire qui décline l'arrêté ministériel du 3 mai 1995.
• Le plan de contrôle exploitant, dans le cadre du système de management environnemental du
site, qui couvre un périmètre plus large que celui du plan de contrôle réglementaire.
Pour suivre son environnement, le centre de Valduc dispose sur place d'une station
météorologique. Ces données sont complétées par des mesures radiologiques en temps réel,
permettant au centre d'appréhender précisément l'impact de ses activités sur son
environnement. Avec en moyenne 150 prélèvements et 1000 analyses par mois, ces plans de
contrôles vont au-delà des exigences de l'arrêté ministériel.
L’air que nous respirons en permanence est composé de gaz et d’aérosols (poussières en
suspension). La radioactivité de ces deux composants est mesurée en continu et/ou en différé
dans 9 stations de surveillance atmosphérique dont 4 réparties à l’extérieur du centre de
Valduc. L’essentiel de la radioactivité de l’air est attribuable aux radioéléments naturels
présents dans l’écorce terrestre (radon, thoron,…) et, dans une moindre mesure, d’origine
cosmique. Par rapport à la radioactivité naturelle variable en fonction de la nature des sols et
des conditions météorologiques locales, il convient de détecter toute variation anormale de
l’activité de l’air, qui pourrait être due à la présence d’aérosols radioactifs d’origine artificielle.
Design par Karim Chebaro
36. 36
Les eaux susceptibles d’êtres impactées par les rejets gazeux au voisinage des installations
sont surveillées. Des prélèvements mensuels sont effectués dans les rivières, rigoles, étangs
ou mares que l’on nomme eaux de surface.
Aux environs de Valduc, la radioactivité des eaux de sources est principalement d’origine
naturelle. Le tritium est le seul radionucléide artificiel détectable à l’état de trace dans
certaines nappes d’eau aux environs de Valduc.
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37. 37
Les limites de la potabilité des eaux de consommation sont fixées par
l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) pour chaque élément radioactif.
Cette limite se base sur une consommation journalière chez l’adulte de 2 litres
de boisson induisant une dose efficace égale à 0,1mSv (soit 1/20ème de la
dose induite par la radioactivité naturelle). Pour le tritium, cette limite est de
10 000 Bq/litre. En dessous de ces niveaux de référence, l’eau de boisson est
propre à la consommation. En application d’une directive européenne, le
droit français fixe une valeur indicative de 100 Bq/litre pour le tritium .Au-
delà de cette valeur, on doit identifier l’origine de ce dépassement par des
analyses complémentaires.
Du fait de sa propre teneur en potassium (1 à2 g/l), le lait est un produit dont
la radioactivité naturelle est comprise entre 30 et 70 Bq/l. L’essentiel de la
radioactivité dans le lait est donc d’origine naturelle. Le tritium n’est décelé
qu’à l’état de trace dans le lait aux environs de Valduc
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38. VI
CONCLUSION
38
En définitive, nous pouvons relever que le tritium 3H
n’est absolument pas un simple isotope de
l’hydrogène. Il présente un potentiel énergétique
naturel énorme grâce à son rôle éminent dans une
réaction de fusion avec le deutérium. Les difficultés
d’atteindre le seuil de température essentielle à cette
réaction sont incontournables. Cependant dans la
mesure où la quantité de combustibles nécessaire a la
réaction ne dépasse jamais quelque grammes, de très
faibles quantités de deutérium et de tritium suffise a
alimenter la fusion. D’ailleurs, aucune source d’énergie
n’est idéale et donc le faite que nous essayons
d’exploiter une telle ressource amplifie notre chance
d’assurer nos besoins énergétique. Nous pouvons
donc conclure que le tritium peut être une source
d’énergie renouvelable, abondante et immensément
puissante. Cependant ce dernier affecte la sante du
corps humain de façon péjorative a cause de ses
rayonnements ß (radiations ionisantes). Or, ces effets
comparés à ceux de la fission sont négligeables. Mais
dans le but de parvenir a un résultat idem, l’homme
doit faire face a plusieurs conditions réactionnels ce
qui impose des difficultés formidables. En revanche,
cette tache, malgré son aspect ardue, et possible.
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