TCV du CRPP à l'EPFL |
1. Le principe du Tokamak
Pour que les atomes collisionnent à grande vitesse, il leur faut une
grande énergie. Dans un Tokamak, cette énergie leur est principalement
transmise par chauffage. En effet, plus un gaz est chaud plus les atomes
et molécules qui le composent sont agitées. Si vous ne voyez pas de
quoi je parle, allez regarder la vidéo de l'article présentant les changements de phase. On y voit des atomes s'agiter de plus en plus à mesure qu'ils sont chauffés, passant de l'état solide à liquide puis gazeux.
Au bout d'un moment, le gaz est tellement chaud que les atomes qui le
composent se séparent en électrons et noyaux. On obtient alors un plasma contenant des atomes, des noyaux(ions) et des électrons. Le taux d'ionisation est décrit par l'équation de Saha.
Ce plasma est le siège de collisions entre les ions et les électrons.
Les collisions entre ions peuvent donner lieu à des réactions de fusion.
Dans ce cas, de l'énergie est libérée qu'il faudra convertir en
électricité.
Ce procédé amenant à des réactions de fusion correspond à celui d'un
Tokamak, dont une des particularités est le confinement magnétique. En
effet, pour ne pas laisser le plasma s'échapper dans l'air ou taper
contre la paroi qu'il ferait fondre, on utilise de très gros aimant pour
contenir le plasma dans un espace fermé en forme de tore (beignet).
C'est une sorte de saucisse refermée sur elle même, ci-dessous on l'a
coupée pour laisser entrevoir l'intérieur.
2. La fusion, source d'énergie
La réaction de fusion a lieu lorsque le Deutérium et le Tritium se
rentrent dedans avec une grande quantité de mouvement. On peut faire
le parallèle avec des collisions entre voitures, une réaction de fusion
ayant lieu lorsque les voitures s'encastrent l'une dans l'autre. Les
petits accrochages correspondant aux collisions.
Lorsque deux noyaux entrent en collision, rien ne nous garantit que la
réaction de fusion aura lieu. Nous connaissons par contre la probabilité
que cela arrive suivant la force de l'impact. Pour évaluer cette
probabilité, on parle de section efficace que l'on note σ. Ainsi lorsque
l'on envoie un faisceau d'ions de densité ni, de vitesse vi sur une cible de densité nc, le nombre de réactions par unité de surface(dS) et de temps(dt) vaut :
#réactions = nivi nc σ dSdt
- Les cercles roses représentent les sections efficaces de collision
- Les grains rouges représentent les sections efficaces de fusion
La différence de taille nous laisse comprendre qu'une réaction de fusion
a moins de chance de se produire qu'une simple collision.
Sur le dessin, on voit que la majorité des ions ont été peu ou pas
déviés après la traversée de la cible. Cependant, certains ions oranges
ont fusionnés avec les noyaux de la cible.
L'importance de la température : La température du plasma joue un
rôle clef car elle détermine la taille des sections efficaces. À la
température optimale, la probabilité d'avoir des réactions de fusion
sera suffisamment grande pour espérer produire plus d'énergie qu'il n'en
faut pour chauffer le plasma. En gros, avec une allumette suffisamment
grosse on peut allumer un feu avec du bois mouillé.
3. Le critère de Lawson
Dans les années 50, Lawson a énoncé un critère permettant
d'évaluer des conditions nécessaires pour qu'un Tokamak produise plus
d'énergie qu'il n'en consomme. Pour cela il faut faire un bilan entre la
puissance libérée et la puissance perdue. La puissance libérée par
fusion est notée Pfus, elle provient de la réaction de fusion
entre le Deutérium et le Tritium). Les changements de direction des
électrons lors des collisions avec les ions rayonnent une puissance
moyenne appelée Pbr (Bremsstrahlung). Enfin les autres pertes
seront notées W/τ, ou τ représente le temps caractéristique pendant
lequel un Tokamak dissipe une énergie W après un arrêt brutal.
La puissance totale dégagée par le plasma est donc Ptot = Pfus + Pbr + W/τ (en rouge les pertes).
On réinjecte une fraction η de cette puissance totale pour compenser les pertes :
Pbr + W/τ = η Ptot
(1-η) [Pbr + W/τ] = η Pfus
τ = W / [η/(1-η) Pfus - Pbr]
nτ = 12eT / [η/(1-η) <σv> eQT - 6.10-38T1/2]
On peut finalement évaluer la grandeur nτ qui permet d'apprécier la
performance du Tokamak. En effet, plus la densité n est grande plus il y
aura de réactions de fusion et d'énergie dégagée. Plus le temps de
confinement τ est grand, moins les pertes sont importantes. Ainsi en
maximisant nτ on maximise la production de puissance. C'est pourquoi le
rapport nτ permet d'apprécier l'évolution des Tokamak expérimentaux.
4. Le chauffage
Il y a plusieurs façons de faire chauffer un plasma : par chauffage ohmique ou par interaction avec des ondes.
Le chauffage ohmique nécessite de faire passer un courant
électrique dans le plasma. Pour celà, on applique un champs magnétique
vertical au centre du tore (beignet). La force de Lorentz entraîne les
électrons et crée un courant. Cependant, lorsque le plasma dépasse une
certaine chaleur, il devient un excellent conducteur et ne résiste plus.
Le chauffage ohmique n'est utile qu'au démarrage.
Le chauffage par résonance intervient lorsque le chauffage
ohmique est insuffisant. Pour cela, on envoie des ondes dans le plasma
qui vont interagir avec certaines particules en leur transmettant de la
chaleur.
Le chauffage par injection de particules rapides est un procédé
utilisé pour chauffer un plasma chaud. Les particules rapides vont
entrer en collision dans le plasma transformant l'énergie cinétique en
chaleur.
5. Le confinement magnétique
Il s'agit de la caractéristique fondamentale du Tokamak. De par sa forme
et sa simplicité, le Tokamak a offert, dans les années 50, une solution
novatrice permettant d'atteindre des températures supérieures à
la concurrence. C'est ainsi qu'il s'est imposé au détriment d'autres
solutions qui ont alors été laissées de côté.
Pour confiner le plasma, ont utilise le fait que les particules (ions et
électrons) sont chargées. Ainsi en présence d'un champs magnétique, ces
particules vont s'enrouler autours des lignes de champs.
Des bobines supra-conductrices sont disposées autours du Tokamak pour générer un champs magnétique de confinement.
En bleu la direction toroïdale et en rouge la direction poloïdale (Wikipedia)
|
Il existe des lignes de champs orientées suivant la flèche bleu
(Toroidale) et des lignes de champs orientées suivant la flèche rouge
(Poloidale). Leur superposition donne des lignes de champs hélicoïdales.
Ainsi les particules piégées se déplacent sur les surfaces de champs
magnétiques (orange).
On parle souvent du facteur de sécurité. Il permet d'apprécier le nombre
de tour que doit faire une particule dans la direction rouge pour faire
un tour dans la direction bleu. C'est un critère de stabilité MHD
permetant de dire si une configuration plasma est stable.
6. Iter et les dimensions
Comme on vient de le voir, le plasma d'un Tokamak doit être chauffé
de manière suffisante pour permettre les réactions de fusion.
En même temps, il faut confiner ce plasma dans un piège magnétique.
Ainsi, si le plasma est suffisamment chauffé et confiné, le critère de
Lawson sera atteint et la machine pourra produire un surplus d'énergie.
ITER devrait permettre de dépasser la barrière de la taille qui a été
mise en évidence via le projet JET. En effet, le temps de confinement
d'un Tokamak dépend entre autre de sa taille, ainsi en augmentant cette
taille on peut obtenir un plasma plus stable qui confine mieux. Cet
amélioration de la performance devrait permettre de produire 10 fois
plus de puissance de fusion que la puissance utilisée pour chauffer le
plasma.
On parle du facteur Q=Pout/Paux. En effet, pour
envisager une production d'énergie à l'échelle industrielle, il faut
avoir un facteur Q>>1. Par exemple, dans votre cheminée, une fois
le feu allumé Q=∞ car le bois brûle tout seul. Par contre dans un
Tokamak, il faut constamment le chauffer (voir partie 4.). Un des
objectifs d'ITER est d'obtenir 500MW de puissance en sortie pour
seulement 50MW de chauffage. Ce qui correspond à Q=10.
7. Références
Source: le blog expliquenoustout
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