• Save
Tpe
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Tpe

on

  • 303 views

Official Projet report of "Travaux Personnels Encadrés" for the French Baccalaureat designed by myself.

Official Projet report of "Travaux Personnels Encadrés" for the French Baccalaureat designed by myself.

Statistics

Views

Total Views
303
Views on SlideShare
303
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Tpe Tpe Document Transcript

  • TRITIUM : UNE SOURCE D’ENERGIE POUR L’AVENIR 1 Design par Karim Chebaro
  • CHEBARO Karim EL JAMAL Rawane OSMAN Myriam SABRA Samer Travaux Personnels Encadrés Mars 2013 Lycée Abdel Kader 2 Design par Karim Chebaro
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • CARACTERISTIQUESCARACTERISTIQUES II-A-1 9 Design par Karim Chebaro
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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 Design par Karim Chebaro
  • Structure du LMJ Structure du LMJ IV-D Le Laser Mégajoule (LMJ) est un grand assemblage de miroirs, d’optiques, de lentilles… destiné à amplifier et à transporter de l’énergie sous forme de lumière, pour la concentrer sur une micro cible sphérique de deux millimètres de diamètre. La chaîne laser Schéma d'une chaîne laser. © CEA Une chaîne laser se compose de trois éléments : • Le pilote • La section amplificatrice • La fin de chaîne • Le pilote Le pilote délivre l'impulsion lumineuse initiale qui sera amplifiée dans la chaîne. Il a pour rôle de générer le faisceau, de lui donner sa forme temporelle et spatiale ainsi que son spectre et de permettre la synchronisation de tous les faisceaux 28 Design par Karim Chebaro
  • 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
  • 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
  • • 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
  • 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
  • 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 Design par Karim Chebaro
  • 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. 34 Design par Karim Chebaro
  • 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 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. Design par Karim Chebaro
  • 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 Design par Karim Chebaro
  • 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. Design par Karim Chebaro
  • Decouverte - no344-345 Janvier/fevrier 2007 Autodidactique : physique, astronomie, chimie Encyclopédie universalis Vol.5 Axis Vol.5 VII BIBLIOGRAPHIE 39 Design par Karim Chebaro
  • http://varactionsenvir.free.fr/iter%20catastrop he.html http://www.iter.org/fr/proj/iterhistory https://mioga.minefi.gouv.fr/ITER/public/Extra net/index.html https://mioga.minefi.gouv.fr/ITER/public/C2I/d ocuments/ITER_Nuklea_Sept2011.pdf http://www-fusion- magnetique.cea.fr/en_savoir_plus/tritium/triti um.htm http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/anim ations-flash/la-radioactivite/la-reaction-de- fusion http://www.acro.eu.org/risquetritium.html http://www.sfrp.asso.fr/IMG/pdf/Tritium.pdf http://www-lmj.cea.fr/ VIII SITOGRAPHIE 40 Design par Karim Chebaro
  • IX ANNEXE 41 Le chantier LMJ Robot qui intervient dans la structure de la chambre a experience IX ANNEXE
  • 42 Laser megajoule dans le Hall laser numero 2 Mise en service des bâtiments servitude Design par Karim Chebaro
  • 43 Réalisation du 500e tir laser de puissance de la Ligne d’intégration laser Design par Karim Chebaro