Fusion aneutronique - Définition

Conversion directe de l'énergie

Les réactions de fusion aneutronique produisent l'écrasante majorité de leur énergie sous la forme de particules chargées et non de neutrons. Cela implique que l’énergie peut être convertie directement en électricité par diverses techniques. Nombre de ces techniques de conversion directe sont basées sur des technologies matures dérivées d’autres domaines, tels que la technologie des micro-ondes. En outre, ces techniques mettent en œuvre des équipements plus compacts et potentiellement moins coûteux que ceux utilisés dans la production thermique conventionnelle d’électricité.

En comparaison, les combustibles de fusion tels que le mélange deutérium-tritium (²D-³T), qui produisent la plus grande partie de leur énergie sous forme de neutrons, nécessitent un cycle thermique standard, dans lequel les neutrons sont utilisés pour porter de l’eau à ébullition, la vapeur entraînant une grande turbine et un générateur électrique. Cet équipement est suffisamment coûteux pour qu’environ 80% du coût de construction d’une centrale électrique caractéristique à combustible fossile provienne de l’équipement de conversion thermique.

Ainsi, la fusion ²D-³T ne pourrait pas réduire de façon significative le montant des investissements nécessaires à la production d'énergie électrique, même si le réacteur à fusion produisant les neutrons était gratuit (les dépenses de combustible seraient cependant notablement réduites). En revanche, selon ses partisans, la fusion aneutronique avec conversion directe en électricité pourrait, en théorie, assurer une production d'électricité avec des investissements réduits.

Les techniques de conversion directe peuvent être, soit inductives, fondées sur la variation de champs magnétiques, soit électrostatiques, fondées sur le travail de particules chargées à l’encontre d’un champ électrique. Si le réacteur à fusion fonctionne en mode impulsionnel, des techniques inductives peuvent être employées.

Une fraction non négligeable de l’énergie libérée par la fusion aneutronique ne demeure pas dans les particules chargées produites, mais est émise sous forme de rayons X. Une partie de cette énergie peut également être convertie directement en électricité. Par effet photoélectrique, les rayons X traversant une série de feuilles conductrices transfèrent une partie de leur énergie à des électrons qui peuvent alors être capturés par un procédé électrostatique. Les rayons X pouvant traverser de plus grandes épaisseurs de matériaux que ne le peuvent les électrons, plusieurs centaines ou même milliers de couches seront nécessaires pour absorber la plus grande partie des rayons X.

Réactions résiduelles dans un réacteur p-11B

Des calculs détaillés montrent qu’au moins 0,1% des réactions dans un plasma thermique p-¹¹B produiraient des neutrons, et que l’énergie de ces neutrons compterait pour moins de 0,2% de l’énergie totale libérée.

Ces neutrons proviennent d’abord de la réaction

¹¹B + α → ¹⁴N + n⁰ + 157 keV

La réaction produit par elle-même seulement 157 keV, mais les neutrons entraînent une grande part de l’énergie des alpha, proche de E_fusion/3 = 2,9 MeV. Une autre source significative de neutrons est la réaction (endo-énergétique)

¹¹B + p⁺ → ¹¹C + n⁰ - 2,8 MeV

Ces neutrons sont moins énergétiques, avec une énergie comparable à la température du combustible. En outre, ¹¹C est lui-même radioactif, mais décroît jusqu’à des niveaux négligeables en quelques heures en raison de sa demi-vie de 20 minutes seulement.

Ces réactions impliquant les réactifs et les produits de la réaction de fusion primaire, il paraît difficile de réduire encore plus la production de neutrons. La première réaction pourrait en principe être supprimée en extrayant les alphas aussitôt qu’ils sont créés, mais alors leur énergie ne pourra pas servir à maintenir la température élevée du plasma. La deuxième réaction pourrait en principe être supprimée en écrêtant la distribution des ions dans les hautes énergies, mais l’énergie requise pour éviter que la distribution se thermalise interdit probablement cette démarche.

Outre les neutrons, une grande quantité de rayons X durs sera produite par Bremsstrahlung, et des gammas de 4, 12 et 16 MeV seront produits par la réaction de fusion

¹¹B + p⁺ → ¹²C + γ + 16,0 MeV

cette branche ayant une probabilité d’environ 10^-4 par rapport à la fusion primaire.

Enfin, un combustible isotopiquement pur devra être employé, et l’afflux d’impuretés à l’intérieur du plasma devra être contrôlé pour éviter des réactions annexes productrices de neutrons comme celles-ci :

¹¹B + ²D → ¹²C + n⁰ + 13,7 MeV

²D + ²D → ³He + n⁰ + 3,27 MeV

Heureusement, avec une conception soigneuse, il devrait être possible de réduire la dose professionnelle reçue par les opérateurs, à la fois pour les neutrons et les rayons gamma, à un niveau négligeable. Les principaux composants du blindage seraient de l’eau pour ralentir les neutrons rapides, du bore pour absorber les neutrons ralentis, et du métal pour absorber les rayons X. L’épaisseur totale nécessaire devrait être d’un mètre environ, la plus grande partie étant constituée d’eau.