Physique de la Fusion

 

a. Bilan de puissance du plasma

Comment déclencher en nombre les réactions de fusion ? Il faut arriver à confiner suffisamment efficacement un plasma suffisamment dense et chaud. Pourquoi ? Les explications suivent ...

Comme dans l'exemple d'une marmite, le bilan énergétique du plasma est déterminé par des sources d'énergie qui alimentent le plasma et des pertes d'énergie qui le refroidissent. Pour que le plasma soit stationnaire (c'est à dire qu'il ne change pas au cours du temps), il faut que ce bilan soit équilibré, c'est à dire que les sources compensent les pertes.

  • Les sources d'énergies : Pfusion et Pextérieure

Puissance fusion: Pfusion :
La puissance totale produite par la réaction de fusion D-T Pfusion se répartit entre les produits de la réaction, les particules alpha, c'est à dire les noyaux d'hélium (He), et les neutrons. On a donc :
Pfusion = Palpha + Pneut

Les neutrons emportent environ 80% de l'énergie, tandis que les particules alpha, plus lourdes, en conservent environ 20%. Mais cette énergie ne finit pas au même endroit :

  • Palpha: la principale source d'énergie du plasma provient des particules alpha. En effet, ces particules chargées sont confinées par le champ magnétique du tokamak, et cèdent leur énergie au plasma par collisions.
  • Pneut: au contraire, les neutrons (n) issus de la réaction de fusion ne sont pas sensibles au champ magnétique puisqu'ils n'ont pas de charge, et s'échappent donc rapidement, sans avoir eu le temps de céder leur énergie au plasma. Ils sont arrêtés dans les matériaux des composants entourant la chambre à vide du tokamak.

Puissance extérieure Pextérieure :
Si l'énergie provenant des réactions de fusion n'est pas suffisante pour compenser les pertes, il faut pour maintenir le plasma lui fournir de l'énergie depuis l'extérieur, grâce à un système de chauffage additionnel. C'est la puissance extérieure Pexternal

 

  • Les pertes d'énergie : Ppertes

Le confinement du plasma par le champ magnétique n'est pas parfait : les particules et la chaleur diffusent depuis le centre de la décharge vers l'extérieur. Les pertes associées à ce transport des particules et de la chaleur sont conséquentes.

Comme un corps chaud, le plasma se refroidit aussi par rayonnement suivant divers processus. Les électrons émettent un rayonnement de freinage en étant ralenti par les ions ("Bremsstrahlung"). Ils émettent également un rayonnement synchrotron lié à leur mouvement de giration autour des lignes de champ, qui peut devenir conséquent lorsque le plasma est porté à très haute température. Enfin, les impuretés émises par la paroi entourant la chambre à vide produisent un rayonnement de raies lors des différents processus de physique atomique qui ont lieu dans le plasma. Ce terme peut devenir très important si la décharge est fortement polluée, et peut même conduire à une perte brutale du confinement du plasma : c'est ce qu'on appelle une disruption.

La somme de tous ces termes donnent la puissance totale perdue par le plasma Ppertes

 

  • Le bilan

La variation temporelle de l'énergie du plasma W peut donc s'écrire : dW/dt = Palpha + Pextérieur - Ppertes

Rappel : seules les particules alpha cèdent leur énergie au plasma, le reste de la puissance fusion est dissipée dans les composants entourant le plasma.

Si le terme sources est supérieur au terme pertes (dW/dt >0), le plasma gagne de l'énergie, dans le cas contraire (dW/dt < 0 ), il en perd. Si les sources compensent exactement les pertes (dW/dt =0), le plasma est stationnaire. A partir de là, on peut définir plusieurs quantités utiles.

 

  • Le temps de confinement de l'énergie tE

C'est le temps caractéristique de décroissance de l'énergie du plasma, autrement dit, c'est le temps que met le plasma à se vider de son contenu énergétique si on coupe brutalement les sources qui l'alimentent. On a donc :

W/ tE= Ppertes

NB : ce temps n'a rien à voir avec la durée de la décharge, qui est elle fixée par les capacités du système magnétique de la machine ou les instabilités du plasma. Par exemple, sur Tore Supra, le temps de confinement de l'énergie est de l'ordre de 200 millisecondes (soit 0,2 seconde) alors que les décharges durent plusieurs dizaines de secondes voire des minutes.

 

  • Le facteur d'amplification Q

C'est le rapport entre la puissance par les réactions de fusion et la puissance extérieure fournie au plasma par les systèmes de chauffage :

Q = Pfusion / Pexternal

Ce chiffre qualifie donc le bilan énergétique du plasma : si il est supérieur à 1, cela veut dire qu'on a produit plus d'énergie avec les réactions de fusion qu'on a du en fournir pour entretenir le plasma.

NB : le facteur Q ne doit pas être confondu avec le rendement global de l'installation.

 

  • The Break-even

C'est le stade correspondant à Q = 1, c'est à dire le moment où la quantité d'énergie produite par les réactions de fusion est égale à celle qu'on a du fournir pour entretenir le plasma ( Pfusion= Pextérieure). C'est une étape intéressante du point de vue scientifique, car le chauffage du plasma est alors assuré de façon importante par les particules alpha et non plus quasi uniquement par les chauffages additionnels, ce qui se rapproche de la situation du réacteur.

 

  • L'ignition

C'est le stade où la puissance fournie par les réactions de fusion suffit à elle seule à compenser les pertes ( Palpha= Ppertes ) et où on peut donc couper la puissance extérieure. Cela correspond à un facteur d'amplification Q infini ( Pextérieure = 0). Le plasma est alors auto-entretenu, comme la bougie qui une fois enflammée par l'allumette (la puissance extérieure) se consume toute seule.

La plupart des machines expérimentales actuelles, destinées à la recherche et pas encore à la production d'électricité, fonctionnent à Q<1, c'est à dire que le plasma consomme plus d'énergie qu'il n'en fournit. Elles n'utilisent comme combustible que du deutérium, ce qui permet de réaliser les études de physique nécessaires sans utiliser de tritium radioactif, en extrapolant ensuite les résultats obtenus en fusion D-D à la fusion D-T. Seules 2 machines ont pour le moment expérimenté l'utilisation du tritium : la machine américaine TFTR, maintenant fermée, et la machine européenne JET, qui détient le record mondial de puissance fusion en D-T, avec 16 MégaWatts produit correspondant à un facteur d'amplification de 0.64.

Mise à jour : 04/01/2019