Tokamak - Définition et Explications

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Introduction

Vue intérieure du tore du Tokamak à configuration variable (TCV), dont les parois sont recouvertes de tuiles de graphite

Un tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à contrôler un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...) pour étudier la possibilité de la production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) par fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...).

C'est une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) qui est, avec le confinement inertiel par laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...), candidate pour permettre à long terme la production d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) en récupérant la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) qui serait produite par la réaction de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :).

Inventé au début des années 1950 par les Russes Igor Tamm et Andreï Sakharov (Andreï Dmitrievitch Sakharov (en russe : Андрей...), le terme tokamak (Un tokamak est une chambre de confinement magnétique destinée à contrôler un...) vient du russe « тороидальная камера с магнитными катушками » (toroïdalnaïa kamera s magnitnymi katushkami : en français, chambre toroïdale avec bobines magnétiques). On rencontre – plus rarement – la graphie tokomak.

Principe

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire permet à partir de deux atomes très légers (par exemple le deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1...) et le tritium) de créer des atomes plus lourds. Cette transformation produit un défaut de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) qui se manifeste sous forme d'énergie ('E=mc2E est l'énergie produite en joules, m la masse disparue en kg, et c la célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), en m.s-¹). Cet excès d'énergie pourrait se transformer en excès de chaleur, qui par convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) pourrait être convertie en électricité au moyen d'une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) à vapeur () couplée à un alternateur.

Avantages

Si une telle technologie parvenait à être mise au point (Graphie), ses avantages seraient variés :

  • Une grande quantité de « carburant » fusible (Fusible signifie « qui peut fondre » : voir Fusion (physique).) disponible : la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) fusible choisie est constituée de deutérium et de tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...). On trouve le deutérium (ou eau lourde quand cet isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) est combiné à l'oxygène) à l'état naturel (1 atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de deutérium pour 6 000 atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) soit 30 mg/l d'eau). De plus, si l'on place des atomes de Lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) 7 sur le chemin des neutrons produits, il y aura réaction de fission et seront produits de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...), un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) et du tritium, le réacteur (Un réacteur peut désigner :) auto-produirait ainsi une partie de son combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...).
  • Une production d'éléments radioactifs à vie courte : le combustible est faiblement radioactif (tritium) et sa production reste confinée dans l'enceinte du réacteur. À la fin de vie du réacteur, les éléments radioactifs à recycler sont pour la plupart dits « à vie courte ».
  • Un faible risque d'accident nucléaire majeur : étant donné les conditions strictes nécessaires à la fusion, toute anomalie dans l'état de la réaction provoquerait l'arrêt immédiat des réactions en cours. Il n'y aurait donc pas de risque d'emballement de la réaction.

Conditions nécessaires

Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de fusion

Pour produire une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer la matière à de très hautes températures (plusieurs dizaines de millions de degrés). Dans ces conditions, les électrons se détachent complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) de leur noyau — on dit que l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) s'ionise. La matière entre alors dans un nouvel état : l'état de plasma.

Afin d'obtenir de telles températures, plusieurs méthodes ont été expérimentées :

  • l'utilisation de l'effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du...) produit par le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) des électrons (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de 10 millions de degrés) ;
  • l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) de particules accélérées dans un accélérateur de particule annexe ;
  • l'échauffement obtenu par de puissants lasers (effet Compton) ;
  • l'utilisation d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) électromagnétiques aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage...) à micro-ondes).

Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire pourrait être obtenue par une combinaison (Une combinaison peut être :) de ces méthodes.

Confinement du plasma

L'enjeu consiste à contrôler le plasma au cœur du tokamak dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) limité et suffisamment éloigné des équipements. Comme le plasma est constitué de particules chargées, on peut confiner leur trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) de déplacement à l'intérieur d'un tore (Le terme tore a essentiellement deux acceptions distinctes, suivant les usages :) au moyen de champs magnétiques. Pour cela on doit créer un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) toroïdal auquel on associe une composante de champ qui lui est perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) (champ poloïdal). Dans les dispositifs du type Tokamak, le champ poloïdal est créé par un fort courant induit (Le courant induit, par ses effets s'oppose aux causes qui lui ont donné naissance (loi de Lenz)....) au sein même du plasma.

Ce dispositif se distingue des Stellarators, qui adoptent la même configuration de chambre à fusion de forme torique, mais au sein desquels aucun courant ne circule dans le plasma.

Bilan énergétique

On constate qu'il est nécessaire de fournir une énergie initiale pour garantir les conditions de maintien de la réaction (température et confinement). En principe, plus on injecte de combustible, plus l'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) produite est importante.

Si la température produite était égale à celle demandée par la réaction, il ne serait plus nécessaire de réchauffer le combustible par des moyens extérieurs, on aurait alors atteint le seuil d'ignition de la réaction.

Ainsi pour un tel générateur, si le rapport de l'énergie produite par rapport à l'énergie fournie de façon extérieure arrivait à l'équilibre (autant d'énergie produite que d'énergie nécessaire au maintien de la réaction), on parlerait de breakeven. Ce générateur serait alors autonome sur un plan énergétique. Au-delà de ce seuil, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) surplus de combustible produirait un surplus d'énergie au bénéfice de l'exploitant.

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