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Les combustibles

La science

En l'état présent de la technologie, le combustible le plus efficace est un mélange à parts égales de deutérium (D) et de tritium (T). (Click to view larger version...)
En l'état présent de la technologie, le combustible le plus efficace est un mélange à parts égales de deutérium (D) et de tritium (T).
Diverses associations d'isotopes d'éléments légers sont susceptibles de produire une réaction de fusion. Toutefois, dans les machines de fusion, c'est la réaction deutérium-tritium (D-T)  qui se révèle la plus efficace. ITER et la future centrale de démonstration DEMO utiliseront cette combinaison d'éléments pour réaliser la réaction de fusion.

Pour obtenir du deutérium, il suffit de distiller de l'eau, qu'il s'agisse d'eau douce ou d'eau de mer. Cette ressource est largement disponible et quasiment inépuisable. Un litre d'eau de mer contient 33 milligrammes de deutérium que l'on extrait de manière routinière à des fins scientifiques et industrielles.

Le tritium est l'isotope radioactif de l'hydrogène. Sa désintégration est rapide et il n'est présent dans la nature qu'à l'état de traces. Le tritium peut toutefois être produit par l'interaction d'un neutron et d'un atome de lithium. Dans ITER, ce mode de génération du tritium sera exploré de manière expérimentale.

Le lithium est un métal léger, présent en abondance dans la croûte terrestre. Les ressources prouvées, faciles à extraire, représentent un stock suffisant pour alimenter les centrales de fusion pendant plus de 1 000 ans. Le lithium est également présent dans l'eau de mer (en quantité suffisante pour couvrir les besoins en énergie de la planète pendant ~ 6 millions d'années).

Il existe également un stock de tritium d'une vingtaine de kilos, issu du fonctionnement d'un certain type de réacteur de fission (CANDU) et réparti entre différentes installations nucléaires. C'est dans ce stock qu'ITER puisera pendant sa phase d'exploitation. Pour répondre aux besoins des futures centrales de fusion industrielles, il sera essentiel de pouvoir produire du tritium à partir de la réaction de fusion.
L'intérieur de la chambre est tapissé de 440 modules de couverture directement positionnés face au plasma chaud. Certains de ces modules seront remplacés pendant une phase ultérieure par des modules conçus pour tester la production de tritium à partir des neutrons générés par la réaction de fusion. (Click to view larger version...)
L'intérieur de la chambre est tapissé de 440 modules de couverture directement positionnés face au plasma chaud. Certains de ces modules seront remplacés pendant une phase ultérieure par des modules conçus pour tester la production de tritium à partir des neutrons générés par la réaction de fusion.
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 un tokamak, il suffira pour l'entretenir de l'alimenter en deutérium et en lithium, deux éléments disponibles en abondance.

Les centrales de fusion de demain devront produire dans leur enceinte même le tritium qu'elles consommeront. C'est tout l'enjeu du programme de recherche sur les modules tritigènes (Test Blanket Modules, TBM) qui doit déboucher sur l'autosuffisance en tritium.
La quantité d'énergie produite par la réaction de fusion est environ 4 millions de fois supérieure à celle que génèrent des réactions chimiques telles que la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel. Alors qu'une centrale au charbon de 1 000 MW brûle 2,7 millions de tonnes de charbon par an, une centrale de fusion comme celles qui pourraient être opérationnelles dans la deuxième partie du XXIe siècle ne consommera que 250 kilos de combustible chaque année, répartis à parts égales entre le deutérium et le tritium.

De très faibles quantités de deutérium et de tritium suffisent à alimenter la réaction de fusion (à l'intérieur de la chambre à vide la quantité de combustible dans le plasma ne dépasse jamais quelques grammes). La fusion, c'est donc une réaction qui est très économe en combustible et également une réaction très sûre parce que la quantité de combustible présente dans la chambre ne permet d'alimenter la combustion que pendant quelques secondes (il n'existe aucun danger d'emballement).