Centrale à fusion inertielle - Définition

Les techniques de production civile d'énergie de fusion

Deux techniques concurrentes sont candidates à la production civile d'énergie de fusion :

• la fusion par confinement magnétique : c'est celle qui est mise en œuvre dans le projet ITER; les réacteurs utilisant cette technique sont constitués d'une vaste enceinte en forme de tore, à l'intérieur de laquelle un plasma constitué d'un combustible de fusion (mélange de deutérium et de tritium dans le projet actuel), confiné par des champs magnétiques intenses, est porté à très haute température (plus de 100 millions de degrés) pour permettre aux réactions de fusion de prendre naissance ; ce type de réacteur est destiné à fonctionner en régime quasi continu ;

Une microcapsule de combustible pour confinement inertiel par laser.

• la fusion par confinement inertiel : c'est celle qui serait mise en œuvre dans les réacteurs à fusion inertielle en projet; l'énergie proviendrait, non pas d'un plasma fusionnant de façon continue, mais de la fusion de microcapsules de combustible, répétée de façon cyclique, selon un principe analogue à celui du moteur à explosion, la fusion étant obtenue grâce à la densité et à la température atteintes dans la microcapsule lorsqu'elle est soumise à un rayonnement laser (confinement inertiel par laser), à un faisceau de particules (confinement inertiel par faisceau d'ions) ou à un processus de striction magnétique (confinement inertiel par striction magnétique).

Les projets de centrale à fusion inertielle

Les divers projets concurrents

Plusieurs projets concernent des centrales à fusion inertielle. On trouve notamment :

• aux États-Unis, des projets autour du National Ignition Facility (confinement par laser) et de la Z machine (confinement par striction magnétique) ;
• en France, un projet autour du laser Mégajoule ;
• au Japon (Université d'Osaka), le projet KONGOH (confinement par laser).

Un seul d'entre eux utilise le confinement par striction magnétique, tous les autres ayant retenu le confinement par laser.

Les diverses phases d'un tel type de projet sont les suivantes:

1. démonstration de l'allumage : obtention reproductible d'un dégagement d'énergie.
2. démonstration d'un gain élevé : réalisation d'une installation démontrant la faisabilité d'un réacteur ayant un gain énergétique suffisant.
3. démonstration industrielle : validation des différents choix techniques et de l'ensemble des données nécessaires à la définition d’un réacteur de type commercial.
4. démonstration commerciale : démonstration de l'aptitude du réacteur à fonctionner sur une longue période en respectant les exigences de sûreté, de fiabilité et de coût.

À l'heure actuelle et selon les données disponibles, aucun des projets basés sur la fusion par confinement inertiel n'a dépassé la première phase, que ce soit par laser (bien que l'espoir soit grand d'y parvenir lors de la mise en service complète du NIF et de Mégajoule, autour de 2010) ou par striction magnétique (Z machine) ; ces techniques doivent maintenant démontrer leur faculté d'obtenir un gain élevé en énergie de fusion, ainsi que leurs capacités de fonctionnement répétitif.

Principes généraux d'un réacteur à fusion inertielle

Pour en faciliter la compréhension, on s'appuiera sur l'analogie de son fonctionnement avec celui du moteur à explosion. En utilisant cette analogie, on peut se représenter le processus comme un cycle à 4 temps :

• admission du combustible (la microcapsule) dans la chambre du réacteur ;
• compression de la microcapsule afin de donner naissance aux réactions de fusion ;
• explosion du plasma créé lors de la compression, entrainant la libération d'énergie de fusion ;
• échappement des résidus de la réaction, qui seront ensuite traités pour en extraire les éléments réutilisables, comme le tritium.

Pour permettre ce type de fonctionnement, un réacteur à fusion inertielle se compose de plusieurs sous-ensembles :

« Hohlraum » en or utilisé dans le confinement par laser.

• le système permettant l'injection, à l'intérieur de la chambre de réaction, des capsules et des dispositifs annexes nécessaires à l'allumage de la fusion :
  • le conteneur, sorte de « four à micro-ondes » (hohlraum) destiné à porter la capsule de combustible à très haute température, dans le cas des lasers et des accélérateurs d'ions ;
  • la « cage à fils » et son dispositif de transmission d'énergie dans le cas de la striction magnétique ;
• le dispositif assurant la compression des microcapsules de combustible (souvent appelé driver); selon les cas, il peut être constitué :
  • de lasers de puissance ;
  • d'un accélérateur d'ions ;
  • d'un dispositif à striction magnétique ;
• la chambre de réaction, composée :
  • d'une paroi extérieure métallique ;
  • d'une couverture intérieure destinée à protéger la paroi externe de l'onde de choc et des rayonnements créés lors de la fusion, à récupérer l'énergie émise, et à produire du tritium, matière première de la réaction ;
• le système de récupération des déchets et des produits de la réaction.

Le projet Z-IFE des laboratoires Sandia

Le projet Z-IFE des laboratoires Sandia est fondé sur un processus répétitif assurant l'implosion d'une capsule de combustible toutes les 10 secondes, chacune devant produire environ 3 GJ (3×10⁹ joules) d'énergie de fusion ; la technique retenue est celle du confinement par striction axiale.

Vue en coupe d'un réacteur du projet Z-IFE.

La figure représente une vue en coupe d'un réacteur tel que Sandia l'imagine, sachant qu'une centrale de production comprendrait plusieurs réacteurs de ce type (12 dans la centrale de démonstration ZP-3, dont 10 fonctionnant simultanément). Pour reprendre l'analogie utilisée plus haut, une telle conception correspond aux cylindres multiples d'un moteur à explosion.

Sans entrer dans les détails techniques (les lecteurs souhaitant des informations plus précises pourront les trouver dans les divers liens listés en fin d'article), on peut distinguer les éléments suivants :

• Le dispositif triangulaire rouge dénommé « cartridge » correspond à l'ensemble microcapsule de combustible, « cage à fils » et dispositif d'alimentation en énergie; les cartouches sont acheminées à l'intérieur du réacteur par un système d'approvisionnement automatique dont fait partie le rail visible dans la partie supérieure de l'image ;
• la ligne horizontale bleue épaisse (transmission lines to pulsed power driver), tangente à la chambre de réaction, est la ligne d'alimentation en énergie, permettant de transmettre les impulsions extrêmement brèves et puissantes, sortes de « décharges de foudre », nécessaires au processus de striction magnétique ;
• la chambre du réacteur est remplie d'un gaz inerte (pour éviter toute réaction chimique indésirable) sous basse pression (20 torr, la pression atmosphérique normale étant de 760 torr) ;
• la paroi interne de la chambre du réacteur est parcourue par un courant de flibe (mélange liquide de fluorure de lithium et de difluorure de béryllium) destiné à la protéger, à récupérer l'énergie de fusion, et à produire du tritium;
• un système de récupération des déchets de la réaction à partir de la « piscine » de flibe permet de recycler les éléments des cartouches, détruites lors de la fusion des microcapsules.