Les récents évènements concernant la centrale de Fukushima-Daiichi au Japon me permettent de revenir sur une question qui m'avait été posée il y a quelques temps : c'est quoi le projet ITER, centrales nucléaires du futur ?

ITER = Réacteur thermonucléaire expérimental international. Il s'agit d'un projet auquel participent plein de pays (USA, Japon, UE, Inde…) qui vise à étudier la possibilité de créer une centrale (basée à Cadarache en France) ayant pour source d'énergie la fusion plutôt que la fission nucléaire.

Fusion / Fission

Les centrales actuelles utilisent la fission nucléaire d'atomes radioactifs comme source d'énergie. En gros, quand un atome est trop gros, comme c'est le cas pour l'uranium ou le plutonium, il se désintègre en deux atomes plus petits avec un dégagement d'énergie.

fission nucléaire
La fission ↑

Les centrales récupèrent simplement l'énergie libérée par une très grande quantité d'uranium pour en faire de l'électricité.

Dans l'ITER, la source d'énergie sera au contraire la fusion thermonucléaire : ici, on prend deux petits atomes pour les fusionner en un seul, plus gros. Il y a également une libération d'énergie.

fusion thermonucléaire
La fusion ↑ (2)

Contrairement à la fission qui est spontanée, la fusion ne se fait pas toute seule (1) : deux noyaux d'atomes ne peuvent fusionner que si l'on apporte de l'énergie. Pour l'ITER, on espère récupérer 10 fois plus d'énergie qu'on en donne : ça promet d'être très rentable (un petit calcul me donne que 1 kilogramme de matière à fusionner produit autant d'énergie que 70'000 tonnes de TNT).

Pour faire simple donc :
  • Fission : on attend qu'un atome se brise pour récupérer l'énergie libérée lors de la désintégration.
  • Fusion : on colle deux atomes nous même pour n'en former qu'un seul, et on récupère au passage l'énergie produite.

Pourquoi utiliser la fusion plutôt que la fission ?

On le sait, un gros atome radioactif (comme l'uranium) qui se désintègre produit deux atomes plus petits et de l'énergie. Le problème c'est qu'il y a en plus une émission de rayonnements et de particules (Alpha, Beta, Gamma…). Ces particules sont ionisantes : quand elles traversent par exemple un tissu organique, elles détruisent les cellules qui peuvent alors ne plus fonctionner voire même devenir cancéreuses.
Cette radioactivité est naturelle, et se produit en faible quantités partout autour de nous (Radon, carbone 14, …) et c'est à haute dose qu'elle peut-être dangereuse.

Le premier problème de la fission, c'est que les "petits" atomes produits sont eux aussi radioactifs, et se désintègreront à leurs tours ! Et ainsi de suite… Il faut attendre des millions d'années pour obtenir enfin un atome stable.
On parle alors de déchets radioactifs, car l'énergie produite n'est pas exploitable mais les éléments sont dangereux quand même.

Le second problème c'est que la fission est spontanée : un atome d'uranium se désintègre tout seul. Il produit des particules (des neutrons) qui vont désintégrer d'autres atomes, libérant d'autres neutrons et ainsi de suite : c'est une réaction en chaine. Dans les centrales, cette réaction est maitrisée : on sait éviter l'emballement du réacteur en absorbant le surplus de neutrons.

L'utilisation de la fusion nucléaire apporte quelques solutions à ces problèmes !

L'avantage de la fusion nucléaire

Le problème de la réaction en chaine est résolue : vu qu'il faut obligatoirement apporter une énergie au départ, il n'y pas de risques qu'une centrale explose quand elle n'est pas en service. S'il y a emballement de la réaction, il suffit alors de couper l'apport d'énergie et la réaction s'arrête. Un peu comme quand on fait cuire quelque chose : la cuisson (une réaction chimique) se fait avec apport d'énergie (de la chaleur). Si votre tarte brûle au four, il suffit de couper le gaz et ça s'arrête.

Le problème des déchets est résolu aussi : alors que l'uranium qui se désintègre produit des déchets eux aussi radioactif, la réaction de fusion est la suivante :
3H + 2H → 4He + 1n + énergie

Comme vous voyez, on utilise des isotopes de l'hydrogène pour produire de l'hélium et un neutron. L'hélium est totalement propre. Seule subsiste un neutron, qui peut éventuellement réagir avec l'hélium pour former du lithium, radioactif mais moins longtemps que les déchets de l'uranium.

Pourquoi ne pas y avoir pensé avant alors ?

En effet… Le principe est là, connu depuis les années 1950. Mais la seule réaction qu'on a pu faire, c'est la fusion non-contrôlée : celle ayant lieu dans les bombes H, les plus puissantes bombes existantes.

En fait, pour amorcer la fusion il faut apporter de l'énergie. Dans les bombes à fusion nucléaire (les bombes H), elle est fournie par… une bombe A (bombe à fission), suffisamment puissante pour apporter l'énergie de départ.
La quantité d'énergie à apporter est colossale : il faut chauffer les éléments à des températures de l'ordre de 100'000'000°C.

En plus de la difficulté à obtenir cette température elle même (6 fois plus importantes qu'au cœur du soleil), il faut savoir la contenir : aucune enceinte, aucun matériau ne resterait à de telles températures, sans elle mêmes fondre voire fusionner…

Le principe de l'ITER

L'ITER se veut donc un projet pour voir la faisabilité de la production d'électricité avec la fusion nucléaire. Et avant d'avoir de l'électricité, il faut produire une fusion. Pour cela il faut des très hautes températures.

La centrale utilise un appareil nommé Tokamak (ça vient du russe et signifie « chambre toroïdale à bobines magnétique »). En gros, ça crée un champ magnétique intense qui va éloigner la matière de la paroi de la chambre et l'accélérer dans un tore (3). On utilise ensuite l'effet Joule (4) pour chauffer.
À cette température, la matière gazeuse devient un plasma : un bain d'électrons dans lequel se trouvent les noyaux (alors que d'habitude, les électrons sont solidaires du noyau). Du fait de la haute température, les noyaux se heurtent si rapidement (énergie cinétique) qu'elle peuvent fusionner.

Suffit ensuite de récupérer l'énergie.

En résumé : un accélérateur de particules (le tokamak) permet avec son champ magnétique d'éloigner la matière à fusionner des parois de la chambre ; un courant électrique très important chauffe le la matière qui devient un plasma ; chauffer encore (100'000'000°C) et la vitesse des particules sera suffisante pour qu'un choc entre deux noyaux entraine la fusion, libérant de l'énergie.


  1. il y a ce qu'on nomme la barrière coulombienne : deux noyaux d'atomes ne peuvent pas s'approcher l'un de l'autre à cause de la répulsion électrique (force de Coulomb). Mais une fois qu'elles sont assez proches, elle se collent l'un à l'autre grâce à l'interaction forte. (L'interaction forte l'emporte sur la répulsion électrique quand les distances sont très proches.)
  2. voui, il manque les neutrons émis sur le schéma, mais j'ai voulu simplifier.
  3. le "tore" est une figure géométrique qui a la forme d'un pneu ou d'un anneau. Si un ballon est une sphère, un pneu est un tore, voilà.
  4. l'effet Joule, c'est l'échauffement due au passage d'un courant électrique.

26 commentaires

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aryo a dit :

Article très intéressant, dont je n'avais jamais entendu parler ! Merci !

Et donc, si je comprends bien une fois réellement maîtrisée, cette technologie permettrait d'exploiter de nouvelles centrales nucléaires sans avoir de déchets radioactifs ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@aryo : "sans" c'est un peu vite dit, mais avec beaucoup moins de déchets, et ces déchets sont radioactifs bien moins longtemps (12 ans, c'est la demie vie du 3H (tritium), contre 4,4 milliard d'années pour le 238U (uranium)).

Sans compter qu'il n'y aura plus besoin de créer des mines d'Uranium et d'employer des gens qui sont exposés aux radiations dans ces mines.

Ce sera pas le "top du top", mais à mon avis, ça sera largement mieux que ce qu'on actuellement. Un peu comme la comparaison "voiture essence des années 60" avec "voiture GPL/essence" actuelles.

Mais vu l'ampleur du projet, les dates mentionnés sur wiki, il ne faut pas s'attendre à voir pousser des centrales à fusion avant au moins 50 ans.

Et j'espère que d'ici là, les progrès sur le rendement et la technique des énergies propres et/ou renouvelables auront été de la partie aussi.

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Xandre a dit :

Super article, merci. Dommage, les gens ne veulent pas de cet accélérateur (ou encore collisionneur...?) de particules...

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Louis a dit :

Merci, article super intéressant. :)
Si tout ça vous branche, le type (un français) qui a créé la bombe nucléaire a écrit un livre plutôt pas mal.
Il s'appelle Robert Dautray (je crois).

Bref,

++

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Guenhwyvar a dit :

Faut toujours se méfier des rayons Gamma. C'est Bruce Banner qui me l'a dit.

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BenGamin a dit :

C'est bien, c'est beau, mais c'est difficilement réalisable, voir pas du tout en faite.

Tout les aspects ne sont pas maîtrisés, On n'a réellement aucune idée de ce qui pourrait se passer puisqu'AUCUN prototype n'a fonctionné pour produire de l'énergie (bah oui c'est pas le tout de réussir une fusion, encore faut-il pouvoir récupérer l'energie !). Pour info, le record de fonctionnement d'un tokamak est de 6min30s je crois.

Il n'y a aucun matériau qui existe à l'heure actuel pour que cette construction soit possible. Puisque la composante essentiel sont les supra-conducteur... avec la durée de vie qu'on leur connait.

Et il y a un risque d'emballement de réaction qui peut aller de : destruction du réacteur à effet d'une bombe. En revanche, les émissions radioactives seront limité.
Tu dis "il suffit alors de couper l'apport d'énergie et la réaction s'arrête", faux ! Cette réaction s'auto-alimente, la chaleur produite "excite" les noyaux, qui vont alors rentrer plus souvent en collision, etc...
Pour reprendre ton analogie avec la tarte : si tu pousse jusqu'à ce qu'elle soit en feu, coupe ton four, elle brûlera toujours.

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Le Hollandais Volant a dit :

C'est bien, c'est beau, mais c'est difficilement réalisable, voir pas du tout en faite.

Le « E » de ITER, c'est “expérimental”, ce projet c'est pour voir la faisabilité de la production d'électricité, donc c'est l'ITER qui pourra nous dire si ça peut marcher ou pas…

Pour le record du temps, le projet compte aller jusqu'à 15m inutes, il me semble, ça reste court, mais c'est déjà mieux.

Et il y a un risque d'emballement de réaction qui peut aller de : destruction du réacteur à effet d'une bombe.
C'est le cas aussi avec les réacteurs à fission actuels.

Si elle s'auto-alimente, j'en suis pas si sûr : certes, l'énergie produite est supérieure à celle nécessaire pour la produire, mais il faut un apport externe pour concentrer cet énergie : dans le soleil, c'est la force de gravité qui génère l'énergie nécessaire : les atomes sont compressées au centre et la température monte.

Si la gravité est supprimée d'un seul coup, le soleil explose, la température diminue et ça s'arrête.

Si on coupe le courant du tokamak : les atomes ne resteront plus au centre, exploseront, et la température descendrait. Au pire je pense que ça explosera…

Je dis ça comme ça, mais si on coupe le réacteur, c'est la thermodynamique (forces de pression, température, …) qui prend le relai sur la physique nucléaire pour diluer plutôt que concentrer l'énergie.
Mais je peux me tromper…

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BenGamin a dit :

En faite ça ne met pas venu à l'esprit de couper réellement tout. Mais dans les 2 cas, il y aura explosion si la réaction s'emballe.

Soit le plasma est maintenu par le magnétisme et seul l'apport d'énergie est coupé. Explosion du à une fission non contrôlé.
Soit tout est coupé et la question ne se pose même pas avec de l'hydrogène à cette température.

De plus le rendement max qui à pu être réalisé avec la fission est de Q=0,65 . C'est bien loin d'être supérieur à 1.

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BenGamin a dit :

*fusion

désolé ;)

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Greywerewolf a dit :

Je ne fais pas de physique (nucléaire), mais la fusion froide n'est-elle pas un domaine de recherche ?

Après, il n'existe pas d'énergie 100% propre... Si la fusion est mise en place, LA ce sera super intéressant, tant en pollution, qu'en termes de production.

Mais beaucoup diront qu'il y a un risque, mais le risque 0 n'existe pas ! C'est comme avec les avions: UN accident et ça fait la une. Mais des choses plus communes, faisant moins de morts on n'en parle jamais.

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BenGamin a dit :

En fait mon avis perso est que ce n'est pas viable puisqu'il faut apporter une grosse quantité d'énergie pour initier la réaction. La fusion n'est possible qu'à l'état de plasma, autant dire que ce n'est déjà pas à la portée du premier venu.

Il faudra toujours de l'énergie pour compresser le mélange (et augmenter les chances de collisions en limitant l'espace entre les noyaux) ou chauffer (déplacement plus rapide). Le système n'est pas auto-suffisant.

Pour faire une analogie avec des investissement d'argent. Pour l'instant, on est au point : j'investi 1000€ pour avoir 650€. Et quand on aura 1000 pour 1001 se sera déjà beau !

Plutôt que de gaspiller du temps et de l'argent (autre que la compréhension de ces phénomènes) pour maîtriser la fusion, mon point de vue est d'utiliser des énergies basé sur la géothermie, marémotrice, éolienne. Non pas avec des centrales mais en maillage avec une production propre à chaque maison et distribuable. Bon, ça relève quand même de l'utopie...

Petit HS : @Le Hollandais volant
Bien que nos avis divergent sur ce point, tu avais écrit un billet précédemment pour répondre à ceux qui te trouvaient trop subjectif. Je t'encourage à continuer comme tu l'entends. Et c'est pour cette raison que je lis ce blog. Un sujet me plait, je le lit, un autre non, je passe mon tour. Fondamentalement un blog est fait pour partager ses idées et en débattre avec ceux que ça intéresse.

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Le Hollandais Volant a dit :

@BenGamin : dans le cas de l'ITER, on apport 1 unité d'énergie, et on en recupère 10.

ça me parait rentable non ? À supposer évidement qu'on puisse exploiter cette energie, ce qui est but de l'ITER.

Par comparaison, les gigawatt consommés par le LHC, ne sont pas recupérable, autrement que par la comprehension de la matière (ce qui, je pense est déjà un but très louable, car notre techlogie du futur en dépend).

PS: merci pour la remarque sinon :)

@Greywerewolf : la fusion froide, j'en ai entendu parler aussi. Mais je ne saurais pas ce que c'est là maintenant…

Concernant les accidents, je plusoie fortement : tout vient aussi des medias qui buzzent ce qu'ils veulent et laissent de coté, parfois volontairement, des choses aussi importantes…

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BenGamin a dit :

En faite, (renseignement prit)le Q=10 c'est ce qui annoncé et seulement pour 400s. Pas réalisé. En revanche je ne pensai pas que le but était aussi élevé. Donc wait'and'see !

Sinon on revient au matériau qui ont une trop faible durée de vie et ne peuvent maintenir le plasma assez longtemps pour une utilisation industrielle.

Pour les accidents, il y en aura toujours. je ne me sens pas particulièrement influencé par les médias pour la simple et bonne raison que je n'ai pas la télé et lit rarement le journal. Mais il y a une distinction à faire entre le risque d'une explosion assez conséquente et qu'une éolienne tombe par exemple.

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GreyWerewolf a dit :

Le plasma est utilisé facilement, je le sais, j'en ai utilisé, pour activer une surface de polysulfonile avant greffage de BREF je m'égare.

Les plasma sont utilisés +- couramment en université, sont énergivores mais la raison de pourquoi en industrie y'a pas, c'est qu'ils ont pas envie de mettre du matériel de pointe sauf nécessité absolue ^^"

Sinon, je ne pense pas que le coeur d'un réacteur fusion soit constitué de plasma mais est plein de la chaleur qui fait tout fondre :D

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Mear a dit :

Article intéressant :)

La fusion n'est peut-être pas LA solution à court terme, mais en mixant ça avec énergies renouvelables et fission mieux maîtrisée/meiux sécurisée, ça devrait le faire je pense..(et j'espère)

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BenGamin a dit :

@GreyWerewolf : Le problème n'est pas de créer le plasma,c'est de loin la forme la plus répandu dans l'univers. Il peut être créé à partir d'un simple four micro-onde, ça n'a rien d'un exploit. Le but ici est de le modeler/contenir pour qu'il n'endommage pas les matières solides du réacteur.Puis tirer l'énergie de la réaction pour en obtenir un profit par rapport à l'énergie dépensé pour la mise en route/l'entretien.

Le coeur d'un réacteur fusion est forcement constitué de plasma. La chaleur fait que les électrons se séparent irrémédiablement des noyaux (mélange ions-électrons).

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eloe a dit :

Quelques remarques:

Cette désintégration est naturelle, spontanée et se produit en faible quantités partout autour de nous (radon, carbone 14…).

Le radon et le carbone 14 ne sont pas des exemples de fissions. Le radon est un emetteur alpha, le carbone 14 un emetteur beta.
La fission est, dans la majorite des cas, non spontanee mais induite par l absorption d un neutron ( notamment dans les centrales nucleaires). Sans capture de neutron, l isotope U 238 est un emetteur alpha.

Le second problème c'est que la fission est spontanée : un atome d'uranium se désintègre tout seul. Il produit des particules (des neutrons) qui vont désintégrer d'autres atomes, libérant d'autres neutrons et ainsi de suite : c'est une réaction en chaine. Dans les centrales, cette réaction est maitrisée : on sait éviter l'emballement du réacteur en absorbant le surplus de neutrons.

Les neutrons ne "desintegrent" pas d atomes, ils peuvent induire la fission des isotopes d uranium, ou etre captures par d autres atomes, ces atomes deviennent alors instables et se desintegrent

Comme vous voyez, on utilise des isotopes de l'hydrogène pour produire de l'hélium et un neutron. L'hélium est totalement propre. Seule subsiste un neutron, qui peut éventuellement réagir avec l'hélium pour former du lithium, radioactif mais moins longtemps que les déchets de l'uranium.

+ activation neutronique des materiaux

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Le Hollandais Volant a dit :

La fission est, dans la majorite des cas, non spontanee mais induite par l absorption d un neutron ( notamment dans les centrales nucleaires).

Euh, il vient bien de quelque part, le neutron non ? oO
Pour le reste, j'ai en effet regroupé "désintégration" et "radioactivité" sous le même terme.

Cela dit, pour le 14C, j'ai toujours entendu parle de désintégration…

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eloe a dit :

Euh, il vient bien de quelque part, le neutron non ? oOBien sur, dans le cas d une nouvelle centrale, on utilise des éléments qui émettent des neutrons par fission spontanee ( le californium, un élément synthétisé artificiellement, si mes souvenirs sont corrects)Par la suite on n en a plus besoin grâce à la réaction en chaîne.

Pour le reste, j'ai en effet regroupé "désintégration" et "radioactivité" sous le même termeCa ne me perturbe pas, là où je n'étais pas d'accord c'était quand tu parlais de fission pour le C14 et le Rn mais peut être que j'avais mal compris ce que tu voulais dire.

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Le Hollandais Volant a dit :

Je considère que l'émission d'une particule bêta est une désintégration, ce qui en fait n'est pas vrai…

Mais ça n'empêche pas que la radioactivité est présente partout un peu partout, c'est ça que je voulais dire.
Je vais changer ma phrase :)

Et c'est bien le 252Cf qui se désintègre spontanément.

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Sewell a dit :

Moi je dis qu'on se focalise de trop sur le nucléaire... Si l'on pouvait récupérer ne fut-ce qu'un millième de l'énergie libérée lors de la foudre ou lors d'un ouragan l'on serait bien plus avancé.

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arthur a dit :

Est-vrai ?
- ITER alimentera les foyers en électricité produite à partir d'une fission.
- Le rendement est amélioré (entre autre : circuit d'eau à plus haute pression)
- Un laboratoire d'expérimentation de fusion est placé au plus proche de la source d'energie (à fission) pour amorcer des expériences de fusions.

- ITER - N'utilise pas la fusion pour produire de l'électricité.

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Le Hollandais Volant a dit :

La foudre, ou les séismes, ou les volcans...

Les Volcans, c'est possible avec la géothermie, mais les deux premiers, ce sont des sources d'énergies ponctuelles, donc très difficile :/
Surtout que la force et l'électricité ne se stoque pas.

Mais je pense en effet que la question mérite vraiment d'être posée, surtout pour la foudre.

@arthur : ITER - N'utilise pas la fusion pour produire de l'électricité.

Non, c'est faux : ITER est clairement un projet pour la fusion.

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sir.chamallow a dit :

ca à l'air sympa la fusion :) vivement un barbecue à base de fusion ! Ok ok je troll

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Sewell a dit :

@24

Ouep c'est très difficile, mais est-ce vraiment plus difficile que de fusionner 2 atomes ? Sérieusement je ne pense pas vraiment, mais en soit je suis pas du tout spécialiste en la matière...

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