Synthèse et fission: quelle est la différence?
La fusion et la fission sont des processus différents pour produire de l'énergie nucléaire.
Cette énergie produite par le nucléairela fission, est capturée à l'intérieur des réacteurs et utilisée pour chauffer l'eau en vapeur, qui fait tourner une turbine et produit de l'électricité. Mais ce processus crée des déchets qui peuvent rester radioactifs pendant des millions d'années. La situation dans les réacteurs de Fukushima et de Tchernobyl a montré comment cela pouvait se passer.
En revanche, la fusion thermonucléaire ne conduira pasà la formation de déchets nucléaires à long terme, et les matériaux nécessaires peuvent être recyclés en 100 ans. Il n'y a pas non plus de risque d'accident, car le procédé est basé sur des réactions à haute température qui s'arrêtent en quelques secondes en cas de dysfonctionnement de l'équipement. Et comme ces réactions utilisent une quantité relativement faible de carburant, il n'y a aucun danger de les utiliser pour produire des armes nucléaires.
Dans le domaine de la recherche sur la fusion nucléaire, il existedes scientifiques qui aspirent à un seul objectif: recréer les processus que le Soleil lui-même utilise pour produire d'énormes quantités d'énergie. Des forces gravitationnelles énormes piègent l'hydrogène de l'atmosphère du soleil et utilisent une chaleur et une pression intenses pour convertir le gaz en plasma. Dans celui-ci, les noyaux entrent en collision à grande vitesse, formant de l'hélium et libérant de l'énergie.
Un autre facteur clé est la gravité.Les forces gravitationnelles colossales du Soleil sont environ 28 fois supérieures à celles de la Terre. Les scientifiques ont dû faire preuve de créativité pour limiter le combustible nécessaire aux réactions de fusion nucléaire. L’approche la plus privilégiée, dans l’état actuel des choses, consiste à utiliser des champs magnétiques, qui peuvent être utilisés pour contenir deux formes lourdes d’hydrogène, le deutérium et le tritium, dans un dispositif appelé tokamak.
Tokamak - grands espoirs
Le mot « tokamak » en lui-même n’est rienne désigne pas, c'est juste une abréviation, qui est devenue plus tard un mot à part entière. Il est utilisé non seulement en Russie, mais aussi à l'étranger, car c'est dans notre pays que cette chose a été inventée et c'est ici qu'elle s'est activement développée pendant longtemps.
Le tokamak est une chambre toroïdale dotée de bobines magnétiques. C'est tout.
L'essence d'un tokamak se résume à créerchamp magnétique dans lequel se produira la réaction de fusion thermonucléaire. Étant donné que la température d’une telle réaction est non seulement élevée, mais littéralement prohibitive (plusieurs millions de degrés Celsius), elle ne peut pas être réalisée simplement dans une sorte de chambre : elle fondra bien avant que la température de fonctionnement ne soit atteinte.
Cette température est atteinte grâce au fait queÀ l’intérieur du tokamak, la substance se trouve dans le quatrième état d’agrégation, obtenu à des températures aussi élevées. Cet état est appelé plasma. Sur Terre, le plasma dans l'environnement naturel ne se trouve que dans les éclairs et les aurores boréales ; dans l'espace, tout en est littéralement constitué - les étoiles, les nébuleuses, l'espace interstellaire.
À l'intérieur du bâtiment qui abritera le plus grand réacteur tokamak du monde.
Le premier à proposer l'utilisation du thermonucléairesynthèse, y compris à des fins industrielles, était le physicien soviétique O.A. Lavrentyev. Il l'a fait dans son travail de 1950. C'est avec ses travaux que l'étude des modes d'utilisation de la fusion thermonucléaire a commencé.
Un an plus tard, d'autres physiciens, A.D.Sakharov et I.E. Tamm a développé l'idée et a déclaré que la réaction thermonucléaire devait être maintenue à l'intérieur d'une chambre toroïdale fermée. Pour créer un champ magnétique à l’intérieur du tokamak, celui-ci est constitué de sections dans lesquelles sont enroulées des bobines. Puisqu’ils parcourent toute la longueur de la chambre et créent quelque chose comme un tunnel fermé, le champ magnétique résultant est appelé toroïdal. C'est la zone de travail de l'installation.
À l'intérieur du tokamak supraconducteur avancé expérimental chinois (EAST).
Lorsque la chambre est pleine, elle créeun champ électrique vortex qui maintient le plasma à l'intérieur de la chambre, et en même temps le réchauffe, l'amenant à la même température de plusieurs millions de degrés.
Étant donné que le champ et le chauffage sont créés en raison de augmentant le courant dans l'inducteur, mais il ne peut pas augmenter indéfiniment, la durée de vie du plasma dans un état stable n'excède pas encore plusieurs secondes. C’est la principale raison pour laquelle nous ne pouvons pas encore utiliser les tokamaks comme source de production industrielle d’énergie. Il existe des moyens de résoudre ce problème, notamment en utilisant le rayonnement micro-ondes, mais jusqu'à présent, les travaux dans ce sens sont toujours en cours.
De nombreuses personnes travaillent pour y parvenirobjectifs, fondent de grands espoirs sur l’appareil de nouvelle génération actuellement en construction. ITER, ou réacteur thermonucléaire expérimental international, est l’un des projets énergétiques les plus ambitieux jamais entrepris par l’humanité, impliquant des scientifiques et des ingénieurs de 35 pays. Une fois achevé en 2025, ce sera le plus grand dispositif de fusion nucléaire au monde.
Même si la plupart des ambitions de l'humanitédans le domaine de la fusion nucléaire associé à ITER, il existe d’autres opportunités passionnantes. Y compris un autre réacteur thermonucléaire à confinement magnétique - un stellarateur.
Stellator - imiter une étoile
Comme les tokamaks, les stellarateurs sont conçus pourContenant des flux de plasma dans une chambre fermée utilisant des bobines magnétiques, mais avec quelques différences clés. Au lieu d'une jolie forme de beignet symétrique, le stellarateur envoie du plasma dans des cercles irréguliers qui tournent et tournent à l'aide d'une série incroyablement complexe de bobines magnétiques. Cela semble contre-intuitif, mais cela crée en réalité une plus grande stabilité dans le plasma en raison des différences de courant interne, écrit New Atlas.
En soi, un stellarator est un type de réacteur pourmise en œuvre de la fusion thermonucléaire contrôlée. Le nom vient de lat. stella - star, indique la similitude des processus se produisant dans le stellarator et à l'intérieur des étoiles. Inventé par le physicien américain L. Spitzer en 1950, le premier prototype a été construit sous sa direction l'année suivante dans le cadre du projet secret Matterhorn.
Wendelstein 7-X (W7-X) - expérimentalinstallation de recherche de plasma haute température, située dans la ville de Greifswald en Allemagne. Sa construction a été réalisée par l'Institut Max Planck de physique des plasmas de 2005 à 2014. Le but de l'installation est de tester l'aptitude industrielle d'un réacteur à fusion de type stellarateur, ainsi que de rechercher et d'améliorer des composants techniques et des technologies dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée.
Dans de tels réacteurs à fusionla chambre toroïdale a une forme complexe et sinueuse, tout comme les champs magnétiques créés autour d'elle. Cette conception inhabituelle, selon la théorie, permet à ces réacteurs de fonctionner en mode continu, dépensant beaucoup moins d'énergie que les réacteurs « pairs » conventionnels. réacteurs de type tokamak. De plus, la configuration complexe du champ magnétique permet de contenir de manière fiable le plasma à haute température, ce qui réduit le risque de contact avec les parois internes de la chambre du réacteur. Cependant, ces avantages ont un prix, qui réside dans la complexité de conception et de fabrication du réacteur lui-même.
En décembre 2017, W7-X a réalisé son deuxièmeétape d'expérimentation dans laquelle des systèmes améliorés de chauffage et de mesure du plasma ont été utilisés. L'élément principal testé lors de la deuxième étape était le système d'évacuation de la chaleur, dont le fonctionnement ne devrait pas affecter le cordon plasma. Cet outil est constitué d'une chaîne d'aimants qui forment des champs magnétiques complexes, faisant passer le plasma à proximité de 10 plaques de dissipateur thermique. Toute déviation des champs magnétiques entraîne une déviation du cordon plasma, ce qui conduit à une surchauffe des plaques et à un refroidissement excessif et à la destruction du cordon plasma.
Le fonctionnement des électroaimants, qui créent un champ magnétique, est contrôlé par un système de contrôle complexe qui utilise de nombreuses rétroactions.
Puisque les stellarators n'ont pas besoin de tantcourant interne et offrent intrinsèquement une plus grande stabilité que les tokamaks, Hole dit qu'ils pourraient bien être mieux adaptés pour alimenter le réseau. Mais ceci à condition que l'infrastructure incroyablement complexe puisse être construite de manière peu coûteuse et avec les mêmes contraintes, ce qui n'est pas le cas dans sa forme actuelle.
La rétention inertielle est une approche radicale
En plus de la région de confinement magnétique,d'autres approches de la fusion nucléaire qui relèvent du soi-disant confinement inertiel. La fusion thermonucléaire contrôlée par inertie est l'un des types de fusion thermonucléaire, dans laquelle le combustible thermonucléaire est maintenu par ses propres forces d'inertie. L'idée est de chauffer rapidement et uniformément le combustible thermonucléaire, afin que le plasma résultant ait le temps de réagir avant de se disperser. Ainsi, lors de l'utilisation de ce principe, le réacteur sera pulsé. Cette nouvelle ligne de recherche en fusion nucléaire implique l'utilisation de faisceaux laser ou ioniques ciblés très précisément pour chauffer rapidement une pastille de combustible qui sera composée de deutérium et de tritium.
L'idée est que l'impact sur cespastilles de combustible, un chauffage aussi soudain et violent provoquera d'énormes forces de compression qui déclenchent une réaction en chaîne à travers les couches de matériau dans lesquelles la fusion nucléaire peut se produire, libérant d'énormes quantités d'énergie. La société australienne HB11 Energy cherche à supprimer la recette traditionnelle du deutérium et du tritium au profit d'une approche non radioactive qui inclut l'hydrogène et le bore-b11.
Petite pastille de carburant hydrogène boreplacé dans une grande sphère et frappé par deux lasers simultanément pour déclencher une réaction de fusion qui génère directement de l'électricité sans l'utilisation de turbines à vapeur.
L'entreprise prétend éviter de nombreux problèmes,qui recherchent la fusion nucléaire depuis des décennies, en grande partie parce qu’ils n’essaient pas de chauffer leur combustible à des températures incroyablement élevées. Il expose ses pastilles de combustible à deux lasers, l'un pour créer un champ de confinement magnétique et le second pour déclencher une réaction en chaîne de fusion d'hydrogène et de bore qui crée des particules pouvant à leur tour générer un courant électrique.
Selon les experts, ce courant peut être presquedirectement au réseau électrique existant. Il n’y aurait pas besoin d’un générateur à turbine à vapeur ou d’un échangeur de chaleur, et il n’y aurait aucun risque de fusion. L'équipe est très optimiste quant à sa technologie et affirme que ses expériences montrent des vitesses de réaction un milliard de fois supérieures aux prévisions et estime que son plan de développement sera beaucoup plus rapide et moins coûteux que d'autres approches.
L'énergie qui est libérée à la suite d'un telréaction, est capable de chauffer le combustible environnant et, si la température est suffisamment élevée, il peut également déclencher une réaction thermonucléaire. Le but de telles installations est de pouvoir réaliser une "combustion" thermonucléaire, lorsque le processus de dégagement de chaleur provoque une réaction de liaison qui affecte une partie importante du combustible. Une boule de carburant typique a la taille d'une tête d'épingle et contient environ 10 milligrammes de carburant. En pratique, seule une petite fraction de ce carburant peut être utilisée dans une réaction thermonucléaire, mais si tout ce carburant est utilisé, il dégagera une énergie équivalente à la combustion d'un baril de pétrole.
« C'est une science intéressante », a déclaré Matthew Houle,expert en fusion nucléaire et chercheur de l'Université nationale australienne familier avec HB11 et des chercheurs travaillant sur le projet au New Atlas - Mais je ne dirais pas qu'il existe des preuves irréfutables que vous pourriez le transformer en centrale électrique sur un une échelle plus rapide qu'ITER ou le confinement magnétique toroïdal.
Selon Houle, le principal problème d'une telleest que ces réactions se produisent en un clin d’œil. Pour que la technologie puisse être appliquée à une centrale électrique pratique, elle doit évoluer de réactions ponctuelles à court terme vers quelque chose qui produit un approvisionnement constant en énergie, comme un feu brûlant.
Z-pinch - cheval noir
Un autre exemple intéressant de l'approche inertiellele confinement à la fusion nucléaire est le pincement en Z. Dans la recherche sur l'énergie de fusion, il s'agit d'un type de système de confinement du plasma qui utilise un courant électrique dans le plasma pour créer un champ magnétique qui le comprime.
Autrement dit, au lieu d'utiliserdes bobines magnétiques grandes et complexes pour maintenir les flux de plasma en place, une approche qui utilise un champ électromagnétique généré dans le plasma lui-même. On peut dire que c’est le cheval noir dans la course à la fusion nucléaire. Depuis sa création dans les années 1950, l’effet pincement promet une configuration plus simple que les tokamaks ou les stellarators. Mais comme ces appareils, il soumis à une instabilité du plasma qui s’étend au-delà des lignes de champ magnétique.
Système de rétention Z-pinch à l'Université de Washington
Des scientifiques de l'Université de Washington ont mis au pointun moyen de lisser ces renflements est d'ajuster l'hydrodynamique du plasma. Bien qu'il s'agisse d'une solution prometteuse au problème énergétique, à l'instar de l'approche laser HB11, le Z-pinch est toujours confronté à des défis majeurs lorsqu'il s'agit de fournir une puissance continue. Le problème est qu'il est également de nature impulsive.
Quelle est la ligne du bas?
ITER, confinement magnétique toroïdalet la conception des tokamaks sont de loin les plus avancées. Cependant, les chercheurs en fusion nucléaire utilisent différentes approches, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients. Malheureusement, quelle que soit l’approche choisie, le processus nécessite toujours plus d’énergie qu’il n’en retourne. Mais résoudre ces problèmes d’ingénierie et de physique pour produire de l’énergie propre, aussi incroyablement difficile que cela puisse paraître, sera l’une des plus grandes réalisations de l’humanité.
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