Le cycle du combustible
Une alimentation en combustible continue, fiable et à très haut débit sera essentielle pour atteindre l'objectif d'ITER — produire 500 MW d'énergie de fusion durant plusieurs minutes.
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. 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). Alors qu'une centrale au charbon de 1000 MW brûle 2,7 millions de tonnes de charbon par an, une centrale de fusion de taille équivalente ne consommera que 250 kilos de combustible chaque année, répartis à parts égales entre le deutérium et le tritium.
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. Chaque mètre-cube d'eau de mer contient 33 grammes 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 produire du tritium à partir de la réaction de fusion.
Un cycle fermé
Les combustibles utilisés dans la machine ITER seront traités en cycle fermé. À l’intérieur du plasma, la quantité de tritium sera inférieure à un gramme.
La réaction de fusion au sein du tokamak ITER sera alimentée par du deutérium et du tritium, deux isotopes de l'hydrogène. ITER sera la première machine de fusion entièrement conçue pour fonctionner avec un mélange deutérium-tritium. Sa mise en service se déroulera en trois phases : fonctionnement à l'hydrogène, suivi d'un fonctionnement au deutérium puis d'un fonctionnement au deutérium-tritium.
Pour amorcer la réaction de fusion, il faut dans un premier temps évacuer la totalité de l'air et des impuretés présents dans la chambre à vide. Les puissants aimants qui assurent le confinement et le contrôle du plasma sont alors activés puis le combustible gazeux à basse densité est introduit dans la chambre à vide par un système d'injection de gaz. On fait alors circuler un courant électrique dont l'action déclenche un « claquage » puis une ionisation du gaz, et enfin sa transformation en plasma.
Le système d'injection de gaz fournira le premier combustible gazeux avant l'initiation du plasma, puis maintiendra l'apport en combustible tout au long de l'expérience. Avec un débit moyen de 200 Pa m³/s et des pointes à 400 Pa m³/s, la puissance des systèmes d'injection développés pour ITER sera quasiment dix fois supérieure à celle des tokamaks existants.
ITER sera également équipé d'un deuxième système d'alimentation en combustible appelé injecteur de glaçons. Une extrudeuse produit des glaçons d'une taille de plusieurs millimètres, formés d'un mélange de deutérium-tritium, qu'un injecteur pneumatique projette dans le cœur même du plasma. L'injection de glaçons est le principal outil de contrôle de la densité du plasma. Elle permet également de maîtriser de manière efficace les ELMs (Edge Localized Modes), ces « éruptions » hautement énergétiques qui se produisent à la périphérie du plasma, échappent au champ magnétique et dissipent ainsi une partie de son énergie. Une technologie très novatrice, capable d'injecter ces glaçons selon des trajectoires courbes de manière à atteindre les zones du plasma où les ELM se révèlent particulièrement perturbateurs, est en cours de développement.
Usine tritium
L'alimentation en combustible des réactions de fusion d'ITER n'est pas un « processus à passage unique ». Le combustible résiduel présent dans la partie non consumée du plasma est extrait par pompage, avec les cendres d'hélium et les impuretés gazeuses, puis recyclé dans l'usine tritium afin d'être réutilisé. Le « taux de combustion » effectif dans la chambre à vide est estimé à 1 % à peine mais cela suffit pour que les cendres d'hélium commencent à s'accumuler et à diluer le cœur du plasma. Pour éviter ce phénomène, les puissantes cryopompes situées dans la zone du divertor évacuent en continu les cendres d'hélium ainsi que le combustible non brûlé et les impuretés. Les flux gazeux provenant de ces pompes sont transférés vers l'usine tritium (intégrée au Complexe tokamak), où les combustibles de fusion sont extraits afin d'être réinjectés dans le cycle d'alimentation en combustible.
Le processus d'extraction et de séparation assuré par l'usine tritium fait appel à de multiples technologies, regroupées en six sous-systèmes : traitement des effluents du tokamak (prise en charge des effluents du réacteur et extraction des impuretés présentes dans les isotopes de l'hydrogène), séparation isotopique (prise en charge des isotopes de l'hydrogène sous forme de vapeur purifiée et séparation du deutérium et du tritium), stockage et distribution (stockage du combustible, recyclé ou neuf, d'ITER), détritiation de l'atmosphère (récupération du tritium présent dans les impuretés gazeuses sous forme d'eau), détritiation de l'eau (récupération du tritium présent dans l'eau tritiée et réinjection dans le circuit d'alimentation en combustible), système de controle analytique (réalisation d'analyses chimiques et isotopiques pour les cinq autres sous-systèmes).