Les recherches sur la fusion thermonucléaire en Europe : un tournant décisif des matériaux pour la fusion

Le 5 mai dernier le JET (Joint European Torus, tokamak situé à Culham, Oxfordshire) a achevé une étape décisive pour le programme de fusion thermonucléaire européen. La structure interne qui fait face au plasma, et qui jusqu’à maintenant était faite de tuiles de carbone, a été remplacée par des composants en béryllium et tungstène. Ce travail a débuté le 23 octobre 2009, date à laquelle les dernières campagnes expérimentales se sont arrêtées. Depuis, 5 384 composants en béryllium (environ 2 tonnes), 1 288 tuiles en carbone recouvertes d’une couche de tungstène et 9 216 lamelles de tungstène (environ 2 tonnes) ont été installées pratiquement uniquement grâce à un bras télémanipulateur (voir photo). Ce projet lancé en 2004 pour un coût total d’environ 60 M euros (main d’oeuvre comprise) a été mené à son terme et le JET passe maintenant en phase de redémarrage. Il produira ses premiers plasmas dans la nouvelle configuration à la mi-août 2011, après une phase habituelle de redémarrage d’environ trois mois.

Photographie de l'intérieur du tokamak JET avec ses nouveaux composants en béryllium et tungstène. - JPEG

Cette nouvelle phase dans le programme du JET s’inscrit dans un contexte scientifique et programmatique européen précis. Il est donc utile de rappeler à cette occasion les grandes composantes des recherches actuelles sur la fusion thermonucléaire en Europe ainsi que les prochaines échéances de ce programme.

Contexte des recherches actuelles sur la fusion en Europe et dans le monde

L’Europe possède un programme de fusion intégré unique dans le monde reposant sur une excellente base de machines à fusion complémentaires sur le plan scientifique et situées dans plusieurs laboratoires associés dont une (Tore Supra) à l’Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique (IRFM) du Commissariat à l’Energie Atomique à Cadarache (CEA). Egalement, participent entre autres à ce programme des machines en Allemagne (ASDEX Upgrade - Axially Symmetric Divertor EXperiment - à Institut für Plasma Physik à Garching), en Grande-Bretagne (MAST - Mega Amp Spherical Tokamak - à Culham près du JET), en Italie (FTU - Frascati Tokamak Upgrade - au centre ENEA de Frascati), en Suisse (TCV - Tokamak à Configuration Variable - à l’Ecole Polytechnique de Lausanne) et à Culham le JET sur le site de l’United Kingdom Atomic Energy Authority.

Cet ensemble est coordonné sous la bannière du traité EURATOM par l’accord EFDA (European Fusion Development Agreement). L’EFDA coordonne l’ensemble des actions liées à l’exploitation scientifique et technique du JET, et contribue au développement de la physique pour la fusion, aux technologies émergentes et à la formation en science de la fusion.

De plus, l’Europe, et en particulier la France, accueille sur son sol depuis 2005 la construction du futur réacteur international, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), en cours de construction à Cadarache (Bouches du Rhône). Les premiers essais plasmas sont prévus fin 2019. L’Europe finance la construction de cette nouvelle machine à hauteur de 45,5%. C’est pourquoi le programme européen s’est fixé pour objectif majeur de continuer à développer la connaissance de base pour la réalisation d’un réacteur prototype de fusion, intrinsèquement sûr, responsable sur le plan de l’environnement et viable économiquement.

La construction d’ITER est au coeur de la stratégie du programme européen de fusion et cette nouvelle machine est soutenue par un programme européen fort concentré sur les technologies spécifiques nécessaires à ITER et sur la préparation de l’opération des plasmas d’ITER, en utilisant le parc actuel de machines en Europe et en développant les activités de modélisation essentielles pour la prédiction des performances d’un réacteur de fusion.

Le JET est le fer de lance de cet ensemble et son programme scientifique est géré de manière collective par l’EFDA et tous les laboratoires nationaux associés. Il est opéré par l’association britannique CCFE (Culham Centre for Fusion Energy), par l’intermédiaire d’un contrat (Joint Operating Contract) signé avec la Commission Européenne. Lors des campagnes expérimentales, une moyenne de 300 scientifiques provenant des laboratoires des associations travaille directement sur le JET. La dernière campagne d’expériences s’est déroulée d’avril 2008 à octobre 2009 et a été consacrée en partie à la préparation scientifique du nouveau mur en béryllium et tungstène.

Contexte scientifique et technique : pourquoi se soucie-t-on des matériaux pour la fusion ?

Un des enjeux majeurs pour un réacteur à fusion est la compatibilité entre le plasma dans lequel se déroulent les réactions de fusion (deutérium + tritium à neutron + noyau d’hélium) et les composants faisant face au plasma. Jusqu’à présent et comme beaucoup d’autres tokamaks, le JET utilisait des composites en carbone comme ceux utilisés sur le nez et les ailes de la navette spatiale et qui lui permettent de résister aux flux de chaleur intenses pendant sa rentrée dans l’atmosphère. Ces composites en carbone ne sont cependant pas pertinents pour l’opération en tritium dans un futur réacteur en raison, d’une part, de la propension du carbone à accumuler le tritium et, d’autre part, à sa relative facilité à s’éroder sous l’action du plasma. Cela a pu être vérifié par exemple pendant les opérations en tritium de JET en 1998 ainsi qu’avec des plasmas de très longues durées (jusqu’à 6 minutes) produites dans le tokamak Tore Supra à Cadarache. L’accumulation du tritium dans un réacteur comme ITER (10 fois plus gros que JET en volume) rendrait l’opération de la machine inacceptable pour des raisons de gestion des quantités de tritium utilisées.

Pour pallier cette difficulté, ITER envisage dès sa mise en service d’utiliser des matériaux face au plasma en béryllium et en tungstène. Ce dernier est réservé à la région où le plasma est en contact direct avec le mur (région dite du "divertor", anneau situé en bas sur la photographie) et où les flux de chaleur sont les plus importants. Le tungstène est en effet très résistant aux fortes températures (température de fonte : 3.695 °C), mais étant un élément lourd il peut rayonner de manière intense s’il pénètre dans le plasma, et donc diluer la pureté du plasma de deutérium et de tritium. De son côté, le béryllium et un élément léger, mais il fond a une température relativement basse (1.284°C) qui peut être atteinte si le plasma s’approche trop près de ces composants. Il est donc réservé aux régions du mur soumises à des flux de puissance plus modestes.

L’enjeu scientifique et technique est donc double aujourd’hui pour le JET :
- vérifier que les nouveaux matériaux de première paroi permettent de réduire la rétention des isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) à des niveaux compatibles avec ceux prévus pour ITER ;
- démontrer que des plasmas performants (qui permettront d’atteindre dans ITER des puissances de fusion largement supérieures à la puissance injectée) peuvent être opérés à forte puissance dans les limites prescrites pour ces matériaux.

Jusqu’à présent la combinaison de ces matériaux n’a jamais été testée sur un tokamak. La machine JET ayant une géométrie très proche de celle d’ITER, elle va pouvoir donner les informations décrites ci-dessus pour ITER.

Les prochaines échéances du programme européen

Au cours des prochaines campagnes expérimentales (d’août 2011 à juin 2012), le JET devra donc accomplir une mission ambitieuse, aidée également par un accroissement récent de sa puissance injectée et de nouveaux outils de protection des composants face au plasma (mesures infrarouge et visible en temps réel). C’est donc en quelque sorte une "nouvelle" machine qui démarrera cet été et qui permettra de franchir une étape décisive dans la faisabilité de la production d’énergie par la fusion des atomes d’hydrogène.

L’avenir à court terme du programme scientifique et technique européen en accompagnement de la construction d’ITER dépend quant à lui des décisions budgétaires EURATOM à venir, d’une part pour compléter à court terme le programme cadre en cours (FP7, 2012-13), puis pour financer le prochain programme cadre (8eme PCRD, 2014-20) dont la mission sera de permettre à la communauté de fusion européenne de se préparer pleinement à la phase d’exploitation d’ITER.

Pour cela, une feuille de route ("roadmap") consolidée à 10 ans verra le jour dans les mois prochains. Elle harmonisera au mieux les activités expérimentales, technologiques et les efforts de théorie et modélisation nécessaires, permettant à la fois à l’Europe de tirer tout le parti de ses investissements humains et financiers dans le projet ITER, et à la communauté scientifique et technique européenne de rester en pointe dans le développement de la fusion par confinement magnétique comme source potentielle d’énergie future. Nul doute que le JET, grand instrument de recherche, jouera encore dans les années à venir un rôle important, au sein d’un dispositif européen cohérent.


Sources :
- Site du JET : http://www.jet.efda.org
- Information sur l’Euratom : http://ec.europa.eu/energy/nuclear/euratom/euratom_en.htm
- Information sur l’EFDA : http://www.efda.org


Auteur : Emmanuel Joffrin, Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique (IRFM), Task Force Leader pour le Programme JET.

publié le 04/07/2011

haut de la page