Réaction nucléaire contrôlée. Réaction thermonucléaire contrôlée. L'histoire de la création d'un réacteur nucléaire

La seconde moitié du XXe siècle a été une période de développement rapide de la physique nucléaire. Il est devenu évident que les réactions nucléaires pouvaient être utilisées pour produire une énorme énergie à partir d’infimes quantités de combustible. Neuf années seulement se sont écoulées entre l'explosion de la première bombe nucléaire et la première centrale nucléaire, et lorsqu'une bombe à hydrogène a été testée en 1952, on a prédit que les centrales thermonucléaires entreraient en service dans les années 1960. Hélas, ces espoirs ne se sont pas avérés justifiés.

Réactions thermonucléaires Parmi toutes les réactions thermonucléaires, seules quatre présentent un intérêt dans un avenir proche : deutérium + deutérium (produits - tritium et proton, énergie libérée 4,0 MeV), deutérium + deutérium (hélium-3 et neutron, 3,3 MeV), deutérium + tritium (hélium-4 et neutron, 17,6 MeV) et deutérium + hélium-3 (hélium-4 et proton, 18,2 MeV). Les première et deuxième réactions se produisent en parallèle avec une probabilité égale. Le tritium et l'hélium-3 qui en résultent « brûlent » lors des troisième et quatrième réactions

Igor Egorov

La principale source d’énergie de l’humanité aujourd’hui est la combustion du charbon, du pétrole et du gaz. Mais leurs approvisionnements sont limités et les produits de combustion polluent l'environnement. Une centrale au charbon produit plus d’émissions radioactives qu’une centrale nucléaire de même puissance ! Alors pourquoi ne sommes-nous pas encore passés aux sources d’énergie nucléaire ? Il y a de nombreuses raisons à cela, mais la principale est depuis peu la radiophobie. Bien qu'une centrale électrique au charbon, même en fonctionnement normal, nuise à la santé de beaucoup plus de personnes que les émissions d'urgence d'une centrale nucléaire, elle le fait en silence et inaperçu du public. Les accidents dans les centrales nucléaires deviennent immédiatement la principale nouvelle des médias, provoquant une panique générale (souvent totalement infondée). Cela ne veut pas dire pour autant que l’énergie nucléaire ne pose pas de problèmes objectifs. Les déchets radioactifs causent beaucoup de problèmes : les technologies permettant de les utiliser sont encore extrêmement coûteuses et la situation idéale où ils seront entièrement recyclés et utilisés est encore loin.

De toutes les réactions thermonucléaires, seules quatre présentent un intérêt dans un futur proche : deutérium + deutérium (produits - tritium et proton, énergie libérée 4,0 MeV), deutérium + deutérium (hélium-3 et neutron, 3,3 MeV), deutérium + tritium ( hélium -4 et neutron, 17,6 MeV) et deutérium + hélium-3 (hélium-4 et proton, 18,2 MeV). Les première et deuxième réactions se produisent en parallèle avec une probabilité égale. Le tritium et l'hélium-3 qui en résultent « brûlent » lors des troisième et quatrième réactions.

De la fission à la fusion

Une solution potentielle à ces problèmes est la transition des réacteurs à fission vers les réacteurs à fusion. Alors qu'un réacteur à fission typique contient des dizaines de tonnes de combustible radioactif, qui sont converties en dizaines de tonnes de déchets radioactifs contenant une grande variété d'isotopes radioactifs, un réacteur à fusion n'utilise que des centaines de grammes, voire des kilogrammes au maximum, d'un isotope radioactif de l'hydrogène. tritium. Outre le fait que la réaction nécessite une quantité insignifiante de cet isotope radioactif le moins dangereux, il est également prévu que sa production soit réalisée directement à la centrale afin de minimiser les risques liés au transport. Les produits de synthèse sont de l'hydrogène et de l'hélium stables (non radioactifs) et non toxiques. De plus, contrairement à une réaction de fission, une réaction thermonucléaire s’arrête immédiatement lorsque l’installation est détruite, sans créer de risque d’explosion thermique. Alors pourquoi aucune centrale thermonucléaire opérationnelle n’a-t-elle encore été construite ? La raison en est que les avantages énumérés entraînent inévitablement des inconvénients : créer les conditions d’une synthèse s’est avéré beaucoup plus difficile que prévu initialement.

Critère de Lawson

Pour qu'une réaction thermonucléaire soit énergétiquement favorable, il faut assurer une température du combustible thermonucléaire suffisamment élevée, une densité suffisamment élevée et des pertes d'énergie suffisamment faibles. Ces derniers sont caractérisés numériquement par ce qu'on appelle le « temps de rétention », qui est égal au rapport entre l'énergie thermique stockée dans le plasma et la puissance de perte d'énergie (beaucoup de gens croient à tort que le « temps de rétention » est le temps pendant lequel du plasma chaud est maintenu dans l'installation, mais ce n'est pas le cas). À une température d'un mélange de deutérium et de tritium égale à 10 keV (environ 110 000 000 degrés), nous devons obtenir le produit du nombre de particules de carburant dans 1 cm 3 (c'est-à-dire la concentration plasmatique) et le temps de rétention (en secondes) d'au moins 10 14. Peu importe que nous ayons un plasma avec une concentration de 1014 cm -3 et un temps de rétention de 1 s, ou un plasma avec une concentration de 10 23 et un temps de rétention de 1 ns. Ce critère est appelé critère de Lawson.
Outre le critère de Lawson, responsable de l'obtention d'une réaction énergétiquement favorable, il existe également un critère d'inflammation du plasma qui, pour la réaction deutérium-tritium, est environ trois fois supérieur au critère de Lawson. « Allumage » signifie que la fraction d'énergie thermonucléaire restant dans le plasma sera suffisante pour maintenir la température requise et qu'un chauffage supplémentaire du plasma ne sera plus nécessaire.

Pincement en Z

Le premier appareil dans lequel il était prévu d'obtenir une réaction thermonucléaire contrôlée était ce qu'on appelle le Z-pinch. Dans le cas le plus simple, cette installation est constituée de seulement deux électrodes situées dans un environnement de deutérium (hydrogène-2) ou un mélange de deutérium et de tritium, et d'une batterie de condensateurs d'impulsions haute tension. À première vue, il semble qu’il permette d’obtenir du plasma comprimé chauffé à des températures énormes : exactement ce qu’il faut pour une réaction thermonucléaire ! Cependant, dans la vie, tout s'est avéré, hélas, loin d'être aussi rose. La corde à plasma s'est avérée instable : la moindre courbure entraîne un renforcement du champ magnétique d'un côté et un affaiblissement de l'autre ; les forces qui en résultent augmentent encore la courbure de la corde - et tout le plasma « tombe » sur la paroi latérale de la chambre. La corde est non seulement instable à la flexion, son moindre amincissement entraîne une augmentation du champ magnétique dans cette partie, ce qui comprime encore plus le plasma, le pressant dans le volume restant de la corde jusqu'à ce que la corde soit finalement « expulsée ». .» La partie comprimée a une résistance électrique élevée, donc le courant est interrompu, le champ magnétique disparaît et tout le plasma se dissipe.

Le principe de fonctionnement du Z-pinch est simple : un courant électrique génère un champ magnétique annulaire, qui interagit avec le même courant et le comprime. En conséquence, la densité et la température du plasma traversé par le courant augmentent.

Il a été possible de stabiliser le faisceau de plasma en lui appliquant un puissant champ magnétique externe, parallèle au courant, et en le plaçant dans une enveloppe conductrice épaisse (lorsque le plasma se déplace, le champ magnétique se déplace également, ce qui induit un courant électrique dans le plasma). boîtier, tendant à remettre le plasma à sa place). Le plasma a cessé de se plier et de se pincer, mais on était encore loin d'une réaction thermonucléaire à une échelle sérieuse : le plasma touche les électrodes et leur cède sa chaleur.

Les travaux modernes dans le domaine de la fusion Z-pinch suggèrent un autre principe pour créer un plasma de fusion : un courant circule à travers un tube à plasma de tungstène, qui crée de puissants rayons X qui compriment et chauffent la capsule avec le combustible de fusion situé à l'intérieur du tube à plasma, tout comme c’est le cas dans une bombe thermonucléaire. Cependant, ces travaux sont de nature purement scientifique (les mécanismes de fonctionnement des armes nucléaires sont étudiés), et l'énergie libérée dans ce processus est encore des millions de fois inférieure à la consommation.

Plus le rapport entre le grand rayon du tore du tokamak (la distance entre le centre du tore entier et le centre de la section transversale de son tuyau) et le petit (le rayon de la section transversale du tuyau) est petit, plus plus la pression du plasma peut être élevée sous le même champ magnétique. En réduisant ce rapport, les scientifiques sont passés d'une section circulaire de la chambre à plasma et à vide à une section en forme de D (dans ce cas, le rôle du petit rayon est joué par la moitié de la hauteur de la section). Tous les tokamaks modernes ont exactement cette forme en coupe transversale. Le cas limite était ce qu’on appelle le « tokamak sphérique ». Dans de tels tokamaks, la chambre à vide et le plasma ont une forme presque sphérique, à l'exception d'un canal étroit reliant les pôles de la sphère. Les conducteurs des bobines magnétiques traversent le canal. Le premier tokamak sphérique START n'est apparu qu'en 1991, il s'agit donc d'une direction assez jeune, mais il a déjà montré la possibilité d'obtenir la même pression de plasma avec un champ magnétique trois fois inférieur.

Chambre en liège, stellarator, tokamak

Une autre option pour créer les conditions nécessaires à la réaction sont les pièges magnétiques dits ouverts. Le plus célèbre d’entre eux est la « cellule en liège » : un tuyau doté d’un champ magnétique longitudinal qui se renforce à ses extrémités et s’affaiblit au milieu. Le champ augmenté aux extrémités crée un « bouchon magnétique » (d'où le nom russe), ou « miroir magnétique » (anglais - machine à miroir), qui empêche le plasma de quitter l'installation par les extrémités. Cependant, cette rétention est incomplète ; certaines particules chargées se déplaçant selon certaines trajectoires sont capables de traverser ces bourrages. Et à la suite de collisions, toute particule tombera tôt ou tard sur une telle trajectoire. De plus, le plasma dans la chambre miroir s'est également avéré instable : si à un endroit une petite partie du plasma s'éloigne de l'axe de l'installation, des forces apparaissent qui éjectent le plasma sur la paroi de la chambre. Bien que l'idée de base de la cellule miroir ait été considérablement améliorée (ce qui a permis de réduire à la fois l'instabilité du plasma et la perméabilité des miroirs), en pratique il n'était même pas possible d'approcher les paramètres nécessaires à une synthèse énergétiquement favorable. .

Est-il possible de s'assurer que le plasma ne s'échappe pas par les « bouchons » ? Il semblerait que la solution évidente consiste à enrouler le plasma en anneau. Cependant, le champ magnétique à l’intérieur de l’anneau est plus fort qu’à l’extérieur et le plasma a à nouveau tendance à se diriger vers la paroi de la chambre. La sortie de cette situation difficile semblait également assez évidente : au lieu d'un anneau, faites un « chiffre huit », puis dans une section la particule s'éloignera de l'axe de l'installation, et dans une autre elle reviendra en arrière. C'est ainsi que les scientifiques ont eu l'idée du premier stellarateur. Mais un tel « chiffre huit » ne peut pas être réalisé dans un seul plan, nous avons donc dû utiliser la troisième dimension, en courbant le champ magnétique dans la deuxième direction, ce qui a également conduit à un mouvement progressif des particules de l'axe vers la paroi de la chambre. .

La situation a radicalement changé avec la création d'installations de type tokamak. Les résultats obtenus au tokamak T-3 dans la seconde moitié des années 1960 étaient si étonnants pour l'époque que des scientifiques occidentaux sont venus en URSS avec leurs équipements de mesure pour vérifier eux-mêmes les paramètres du plasma. La réalité a même dépassé leurs attentes.

Ces tubes fantastiquement entrelacés ne sont pas un projet artistique, mais une chambre stellaire courbée selon une courbe tridimensionnelle complexe.

Aux mains de l’inertie

Outre le confinement magnétique, il existe une approche fondamentalement différente de la fusion thermonucléaire : le confinement inertiel. Si dans le premier cas on essaie de maintenir le plasma à une concentration très faible pendant une longue période (la concentration de molécules dans l'air qui nous entoure est des centaines de milliers de fois plus élevée), alors dans le second cas on compresse le plasma à une densité énorme, un ordre de grandeur supérieur à la densité des métaux les plus lourds, dans l'espoir que la réaction aura le temps de se dérouler dans ce court laps de temps avant que le plasma n'ait le temps de se disperser sur les côtés.

À l’origine, dans les années 1960, le plan consistait à utiliser une petite boule de combustible de fusion gelé, uniformément irradiée de tous les côtés par plusieurs faisceaux laser. La surface de la balle aurait dû s'évaporer instantanément et, en s'étendant uniformément dans toutes les directions, comprimer et chauffer la partie restante du carburant. Cependant, dans la pratique, l’irradiation s’est avérée insuffisamment uniforme. De plus, une partie de l’énergie du rayonnement était transférée aux couches internes, provoquant leur échauffement, ce qui rendait la compression plus difficile. En conséquence, la balle s’est comprimée de manière inégale et faible.

Il existe un certain nombre de configurations de stellarateurs modernes, toutes proches d'un tore. L'une des configurations les plus courantes implique l'utilisation de bobines similaires aux bobines à champ poloïdal des tokamaks et de quatre à six conducteurs torsadés autour d'une chambre à vide avec un courant multidirectionnel. Le champ magnétique complexe ainsi créé permet au plasma d'être contenu de manière fiable sans qu'un courant électrique annulaire le traverse. De plus, les stellarateurs peuvent également utiliser des bobines de champ toroïdal, comme les tokamaks. Et il n'y a peut-être pas de conducteurs hélicoïdaux, mais les bobines de champ « toroïdales » sont alors installées le long d'une courbe tridimensionnelle complexe. Les développements récents dans le domaine des stellarateurs impliquent l'utilisation de bobines magnétiques et d'une chambre à vide de forme très complexe (un tore très « froissé »), calculée sur ordinateur.

Le problème des inégalités a été résolu en modifiant considérablement la conception de la cible. Maintenant, la balle est placée à l'intérieur d'une petite chambre métallique spéciale (appelée «holraum», de l'allemand hohlraum - cavité) avec des trous à travers lesquels les faisceaux laser entrent à l'intérieur. De plus, des cristaux sont utilisés pour convertir le rayonnement laser IR en ultraviolet. Ce rayonnement UV est absorbé par une fine couche de matériau hohlraum, qui est chauffé à des températures énormes et émet des rayons X doux. À leur tour, les rayons X sont absorbés par une fine couche à la surface de la capsule de combustible (boule contenant du combustible). Cela a également permis de résoudre le problème de l'échauffement prématuré des couches internes.

Cependant, la puissance des lasers s’est avérée insuffisante pour qu’une partie notable du carburant réagisse. De plus, l’efficacité des lasers était très faible, seulement environ 1 %. Pour que la fusion soit énergétiquement bénéfique avec une efficacité laser aussi faible, la quasi-totalité du combustible comprimé devait réagir. En essayant de remplacer les lasers par des faisceaux d'ions légers ou lourds, qui peuvent être générés avec une bien plus grande efficacité, les scientifiques ont également rencontré de nombreux problèmes : les ions légers se repoussent, ce qui les empêche de se concentrer, et sont ralentis lorsqu'ils entrent en collision avec des lasers résiduels. gaz dans la chambre et accélérateurs Il n'a pas été possible de créer des ions lourds avec les paramètres requis.

Des perspectives magnétiques

L’essentiel des espoirs dans le domaine de l’énergie de fusion réside désormais dans les tokamaks. Surtout après avoir ouvert un mode avec une rétention améliorée. Un tokamak est à la fois une pince en Z enroulée en anneau (un courant électrique annulaire circule à travers le plasma, créant un champ magnétique nécessaire pour le contenir), et une séquence de cellules miroir assemblées en anneau et créant un champ magnétique toroïdal « ondulé ». champ. De plus, un champ perpendiculaire au plan du tore, créé par plusieurs bobines individuelles, se superpose au champ toroïdal des bobines et au champ de courant plasma. Ce champ supplémentaire, appelé poloïdal, renforce le champ magnétique du courant plasma (également poloïdal) à l'extérieur du tore et l'affaiblit à l'intérieur. Ainsi, le champ magnétique total de tous les côtés de la corde à plasma s’avère être le même et sa position reste stable. En modifiant ce champ supplémentaire, il est possible de déplacer le faisceau de plasma à l'intérieur de la chambre à vide dans certaines limites.

Une approche fondamentalement différente de la synthèse est proposée par le concept de catalyse des muons. Un muon est une particule élémentaire instable qui a la même charge qu’un électron, mais une masse 207 fois supérieure. Un muon peut remplacer un électron dans un atome d’hydrogène et la taille de l’atome diminue d’un facteur 207. Cela permet à un noyau d’hydrogène de se rapprocher d’un autre sans dépenser d’énergie. Mais pour produire un muon, environ 10 GeV d’énergie sont dépensés, ce qui signifie qu’il est nécessaire d’effectuer plusieurs milliers de réactions de fusion par muon pour obtenir des bénéfices énergétiques. En raison de la possibilité qu'un muon « adhère » à l'hélium formé lors de la réaction, plus de plusieurs centaines de réactions n'ont pas encore été réalisées. La photo montre l'assemblage du stellarateur Wendelstein z-x à l'Institut Max Planck de physique des plasmas.

Pendant longtemps, un problème important des tokamaks a été la nécessité de créer un courant annulaire dans le plasma. Pour ce faire, un circuit magnétique a été fait passer à travers le trou central du tore du tokamak, dont le flux magnétique a été continuellement modifié. Le changement de flux magnétique génère un champ électrique vortex qui ionise le gaz dans la chambre à vide et maintient le courant dans le plasma résultant. Cependant, le courant dans le plasma doit être maintenu en permanence, ce qui signifie que le flux magnétique doit changer continuellement dans une direction. Ceci est bien entendu impossible, c'est pourquoi le courant dans les tokamaks ne pourrait être maintenu que pendant un temps limité (d'une fraction de seconde à plusieurs secondes). Heureusement, le courant dit d'amorçage a été découvert, qui se produit dans un plasma sans champ de vortex externe. De plus, des méthodes ont été développées pour chauffer le plasma, tout en y induisant le courant annulaire nécessaire. Ensemble, cela offrait la possibilité de maintenir le plasma chaud aussi longtemps que souhaité. En pratique, le record appartient actuellement au tokamak Tore Supra, où le plasma a « brûlé » en continu pendant plus de six minutes.

Le deuxième type d’installation de confinement du plasma, très prometteur, est celui des stellarateurs. Au cours des dernières décennies, la conception des stellarateurs a radicalement changé. Des « huit » originaux, il ne restait presque plus rien et ces installations se rapprochaient beaucoup plus des tokamaks. Bien que le temps de confinement des stellarateurs soit plus court que celui des tokamaks (en raison du mode H moins efficace) et que le coût de leur construction soit plus élevé, le comportement du plasma qu'ils contiennent est plus calme, ce qui signifie une durée de vie plus longue du premier paroi intérieure de la chambre à vide. Pour le développement commercial de la fusion thermonucléaire, ce facteur revêt une grande importance.

Sélection d'une réaction

À première vue, il est plus logique d’utiliser du deutérium pur comme combustible thermonucléaire : il est relativement bon marché et sûr. Cependant, le deutérium réagit cent fois moins facilement avec le deutérium qu’avec le tritium. Cela signifie que pour faire fonctionner un réacteur avec un mélange de deutérium et de tritium, une température de 10 keV est suffisante, et pour fonctionner avec du deutérium pur, une température de plus de 50 keV est nécessaire. Et plus la température est élevée, plus la perte d’énergie est importante. C’est pourquoi, au moins pour la première fois, il est prévu que l’énergie thermonucléaire soit construite sur du combustible deutérium-tritium. Le tritium sera produit dans le réacteur lui-même en raison de l'irradiation avec les neutrons rapides du lithium qui y sont produits.
"Mauvais" neutrons. Dans le film culte « 9 jours d'un an », le personnage principal, alors qu'il travaillait dans une installation thermonucléaire, a reçu une importante dose de rayonnement neutronique. Cependant, il s’est avéré plus tard que ces neutrons n’étaient pas produits à la suite d’une réaction de fusion. Il ne s’agit pas là d’une invention du réalisateur, mais d’un véritable effet observé dans les pincements en Z. Au moment de l'interruption du courant électrique, l'inductance du plasma conduit à la génération d'une énorme tension - des millions de volts. Les ions hydrogène individuels, accélérés dans ce champ, sont capables de littéralement faire sortir les neutrons des électrodes. Au début, ce phénomène était en effet considéré comme le signe certain d'une réaction thermonucléaire, mais l'analyse ultérieure du spectre énergétique des neutrons a montré qu'ils avaient une origine différente.
Mode de rétention amélioré. Le mode H d'un tokamak est un mode de fonctionnement dans lequel, avec une puissance de chauffage supplémentaire élevée, les pertes d'énergie du plasma diminuent fortement. La découverte accidentelle du mode de confinement amélioré en 1982 est aussi importante que l'invention du tokamak lui-même. Il n'existe pas encore de théorie généralement acceptée sur ce phénomène, mais cela ne l'empêche pas d'être utilisée dans la pratique. Tous les tokamaks modernes fonctionnent selon ce mode, car cela réduit les pertes de plus de moitié. Par la suite, un régime similaire a été découvert dans les stellarateurs, indiquant qu'il s'agit d'une propriété générale des systèmes toroïdaux, mais que le confinement n'y est amélioré que d'environ 30 %.
Chauffage au plasma. Il existe trois méthodes principales pour chauffer le plasma à des températures thermonucléaires. Le chauffage ohmique est le chauffage du plasma dû au flux de courant électrique qui le traverse. Cette méthode est plus efficace dans les premières étapes, car à mesure que la température augmente, la résistance électrique du plasma diminue. Le chauffage électromagnétique utilise des ondes électromagnétiques dont la fréquence correspond à la fréquence de rotation autour des lignes de champ magnétique des électrons ou des ions. En injectant des atomes neutres rapides, un flux d'ions négatifs est créé, qui sont ensuite neutralisés, se transformant en atomes neutres capables de traverser le champ magnétique jusqu'au centre du plasma pour y transférer leur énergie.
S'agit-il de réacteurs ? Le tritium est radioactif et la puissante irradiation neutronique issue de la réaction D-T crée une radioactivité induite dans les éléments de conception du réacteur. Nous devons utiliser des robots, ce qui complique le travail. Dans le même temps, le comportement d'un plasma d'hydrogène ordinaire ou de deutérium est très proche du comportement d'un plasma issu d'un mélange de deutérium et de tritium. Cela a conduit au fait qu'au cours de l'histoire, seules deux installations thermonucléaires fonctionnaient entièrement avec un mélange de deutérium et de tritium : les tokamaks TFTR et JET. Dans d'autres installations, même le deutérium n'est pas toujours utilisé. Ainsi, le nom « thermonucléaire » dans la définition d'une installation ne signifie pas du tout que des réactions thermonucléaires s'y sont réellement produites (et dans celles qui se produisent, du deutérium pur est presque toujours utilisé).
Réacteur hybride. La réaction D-T produit des neutrons de 14 MeV, qui peuvent même fissionner l'uranium appauvri. La fission d'un noyau d'uranium s'accompagne de la libération d'environ 200 MeV d'énergie, soit plus de dix fois l'énergie libérée lors de la fusion. Les tokamaks existants pourraient donc devenir énergétiquement bénéfiques s’ils étaient entourés d’une coque en uranium. Par rapport aux réacteurs à fission, de tels réacteurs hybrides auraient l’avantage d’éviter qu’une réaction en chaîne incontrôlée ne s’y développe. De plus, des flux de neutrons extrêmement intenses devraient transformer les produits de fission de l'uranium à vie longue en produits à vie courte, ce qui réduit considérablement le problème de l'élimination des déchets.

Espoirs inertiels

La fusion inertielle n’est pas en reste non plus. Au cours des décennies de développement de la technologie laser, des perspectives sont apparues pour augmenter l'efficacité des lasers d'environ dix fois. Et dans la pratique, leur puissance a été augmentée des centaines et des milliers de fois. Des travaux sont également en cours sur des accélérateurs d’ions lourds dotés de paramètres adaptés à une utilisation thermonucléaire. De plus, le concept « d’allumage rapide » a été un facteur crucial dans les progrès de la fusion inertielle. Cela implique l'utilisation de deux impulsions : l'une comprime le combustible thermonucléaire et l'autre en réchauffe une petite partie. On suppose que la réaction qui commence dans une petite partie du carburant se propagera ensuite davantage et couvrira la totalité du carburant. Cette approche permet de réduire considérablement les coûts énergétiques, et donc de rentabiliser la réaction avec une fraction plus faible de combustible ayant réagi.

Problèmes de tokamak

Malgré les progrès des installations d'autres types, les tokamaks restent pour l'instant hors compétition : si deux tokamaks (TFTR et JET) dans les années 1990 produisaient effectivement une libération d'énergie thermonucléaire à peu près égale à la consommation d'énergie pour chauffer le plasma (même même si un tel mode ne durait qu'une seconde environ), rien de similaire ne pouvait être réalisé avec d'autres types d'installations. Même une simple augmentation de la taille des tokamaks conduira à la faisabilité d'une fusion énergétiquement favorable. Le réacteur international ITER est actuellement en construction en France, qui devra le démontrer concrètement.

Cependant, les tokamaks ont aussi des problèmes. ITER coûte des milliards de dollars, ce qui est inacceptable pour les futurs réacteurs commerciaux. Aucun réacteur n'a fonctionné en continu ne serait-ce que quelques heures, encore moins pendant des semaines et des mois, ce qui est là encore nécessaire pour les applications industrielles. Il n'y a pas encore de certitude que les matériaux de la paroi interne de la chambre à vide seront capables de résister à une exposition prolongée au plasma.

Le concept d'un tokamak à fort champ peut rendre le projet moins coûteux. En augmentant le champ de deux à trois fois, il est prévu d'obtenir les paramètres plasma requis dans une installation relativement petite. Ce concept constitue notamment la base du réacteur Ignitor, dont la construction avec des collègues italiens commence actuellement au TRINIT (Trinity Institute for Innovation and Thermonuclear Research) près de Moscou. Si les calculs des ingénieurs se réalisent, alors à un coût plusieurs fois inférieur à celui d'ITER, il sera possible d'enflammer du plasma dans ce réacteur.

En avant vers les étoiles !

Les produits d'une réaction thermonucléaire s'envolent dans différentes directions à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Cela permet de créer des moteurs de fusée ultra-efficaces. Leur impulsion spécifique sera supérieure à celle des meilleurs réacteurs électriques, et leur consommation d’énergie pourra même être négative (en théorie, il est possible de générer plutôt que de consommer de l’énergie). De plus, tout porte à croire que réaliser un moteur-fusée thermonucléaire sera encore plus simple qu'un réacteur au sol : il n'y a aucun problème de création de vide, avec l'isolation thermique des aimants supraconducteurs, il n'y a pas de restrictions de dimensions, etc. De plus, la génération d’électricité par le moteur est souhaitable, mais ce n’est pas du tout nécessaire, il suffit qu’il n’en consomme pas trop.

Confinement électrostatique

Le concept de confinement électrostatique des ions est plus facilement compris grâce à une configuration appelée fusor. Il est basé sur une électrode à maille sphérique à laquelle un potentiel négatif est appliqué. Les ions accélérés dans un accélérateur séparé ou par le champ de l'électrode centrale elle-même tombent à l'intérieur de celle-ci et y sont retenus par un champ électrostatique : si un ion a tendance à s'envoler, le champ de l'électrode le renvoie. Malheureusement, la probabilité qu’un ion entre en collision avec un réseau est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à la probabilité d’entrer dans une réaction de fusion, ce qui rend impossible une réaction énergétiquement favorable. De telles installations n'ont trouvé d'application que comme sources de neutrons.
Dans le but de faire une découverte sensationnelle, de nombreux scientifiques s’efforcent de réaliser une synthèse autant que possible. Il y a eu de nombreux articles dans la presse concernant diverses options pour ce que l’on appelle la « fusion froide ». La synthèse a été découverte dans les métaux « imprégnés » de deutérium lorsqu'un courant électrique les traverse, lors de l'électrolyse de liquides saturés de deutérium, lors de la formation de bulles de cavitation dans ceux-ci, ainsi que dans d'autres cas. Cependant, la plupart de ces expériences n’ont pas eu une reproductibilité satisfaisante dans d’autres laboratoires et leurs résultats peuvent presque toujours être expliqués sans recourir à la synthèse.
Poursuivant la « glorieuse tradition » qui a commencé avec la « pierre philosophale » puis s'est transformée en « machine à mouvement perpétuel », de nombreux escrocs modernes proposent d'acheter chez eux un « générateur de fusion froide », un « réacteur à cavitation » et d'autres « combustibles ». générateurs gratuits » : à propos de la philosophie Tout le monde a déjà oublié la pierre, ils ne croient pas au mouvement perpétuel, mais la fusion nucléaire semble désormais assez convaincante. Mais hélas, en réalité, de telles sources d’énergie n’existent pas encore (et lorsqu’elles pourront être créées, cela figurera dans tous les communiqués de presse). Alors soyez conscient : si on vous propose d’acheter un appareil qui génère de l’énergie par fusion nucléaire froide, alors ils essaient simplement de vous « tromper » !

Selon des estimations préliminaires, même avec le niveau technologique actuel, il est possible de créer un moteur-fusée thermonucléaire pour voler vers les planètes du système solaire (avec un financement approprié). La maîtrise de la technologie de tels moteurs décuplera la vitesse des vols habités et permettra de disposer d'importantes réserves de carburant à bord, ce qui rendra le vol vers Mars pas plus difficile que de travailler actuellement sur l'ISS. Des vitesses de 10 % de la vitesse de la lumière seront potentiellement disponibles pour les stations automatiques, ce qui signifie qu'il sera possible d'envoyer des sondes de recherche vers des étoiles proches et d'obtenir des données scientifiques du vivant de leurs créateurs.

Le concept de moteur-fusée thermonucléaire basé sur la fusion inertielle est actuellement considéré comme le plus développé. La différence entre un moteur et un réacteur réside dans le champ magnétique, qui dirige les produits de réaction chargés dans une direction. La deuxième option consiste à utiliser un piège ouvert, dans lequel l'un des bouchons est volontairement affaibli. Le plasma qui en découle créera une force réactive.

Avenir thermonucléaire

Maîtriser la fusion thermonucléaire s’est avéré être bien plus difficile qu’il n’y paraissait au premier abord. Et bien que de nombreux problèmes aient déjà été résolus, les problèmes restants suffiront pour les prochaines décennies de travail acharné de milliers de scientifiques et d'ingénieurs. Mais les perspectives que nous ouvrent les transformations des isotopes de l'hydrogène et de l'hélium sont si grandes, et le chemin parcouru est déjà si important qu'il n'a aucun sens de s'arrêter à mi-chemin. Quoi qu’en disent de nombreux sceptiques, l’avenir réside sans aucun doute dans la synthèse.

Des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton ont proposé l'idée du dispositif de fusion nucléaire le plus durable, capable de fonctionner pendant plus de 60 ans. Pour le moment, c'est une tâche difficile : les scientifiques ont du mal à faire fonctionner un réacteur thermonucléaire pendant quelques minutes, puis des années. Malgré sa complexité, la construction d'un réacteur thermonucléaire est l'une des tâches scientifiques les plus prometteuses, qui peut apporter d'énormes avantages. Nous vous disons ce que vous devez savoir sur la fusion thermonucléaire.

1. Qu’est-ce que la fusion thermonucléaire ?

Ne vous laissez pas intimider par cette phrase encombrante, elle est en réalité assez simple. La fusion est un type de réaction nucléaire.

Au cours d'une réaction nucléaire, le noyau d'un atome interagit soit avec une particule élémentaire, soit avec le noyau d'un autre atome, ce qui modifie la composition et la structure du noyau. Un noyau atomique lourd peut se désintégrer en deux ou trois noyaux plus légers : c'est une réaction de fission. Il existe également une réaction de fusion : c'est la fusion de deux noyaux atomiques légers en un seul noyau lourd.

Contrairement à la fission nucléaire, qui peut se produire spontanément ou de manière forcée, la fusion nucléaire est impossible sans apport d’énergie externe. Comme vous le savez, les opposés s'attirent, mais les noyaux atomiques sont chargés positivement et se repoussent donc. Cette situation est appelée la barrière coulombienne. Pour vaincre la répulsion, ces particules doivent être accélérées à des vitesses folles. Cela peut être réalisé à des températures très élevées, de l'ordre de plusieurs millions de Kelvin. Ce sont ces réactions que l'on appelle thermonucléaires.

2. Pourquoi avons-nous besoin de la fusion thermonucléaire ?

Lors des réactions nucléaires et thermonucléaires, une énorme quantité d'énergie est libérée, qui peut être utilisée à diverses fins - vous pouvez créer des armes puissantes ou convertir l'énergie nucléaire en électricité et la fournir au monde entier. L’énergie de désintégration nucléaire est utilisée depuis longtemps dans les centrales nucléaires. Mais l’énergie thermonucléaire semble plus prometteuse. Dans une réaction thermonucléaire, chaque nucléon (les soi-disant noyaux constitutifs, protons et neutrons) libère beaucoup plus d'énergie que dans une réaction nucléaire. Par exemple, quand la fission d'un noyau d'uranium en un nucléon produit 0,9 MeV (mégaélectronvolt), et lorsqueLors de la fusion des noyaux d'hélium, une énergie égale à 6 MeV est libérée par les noyaux d'hydrogène. Les scientifiques apprennent donc à réaliser des réactions thermonucléaires.

La recherche sur la fusion thermonucléaire et la construction de réacteurs permettent d'étendre la production de haute technologie, ce qui est utile dans d'autres domaines de la science et de la haute technologie.

3. Que sont les réactions thermonucléaires ?

Les réactions thermonucléaires sont divisées en réactions auto-entretenues, incontrôlées (utilisées dans les bombes à hydrogène) et contrôlées (adaptées à des fins pacifiques).

Des réactions auto-entretenues ont lieu à l’intérieur des étoiles. Cependant, il n’existe aucune condition sur Terre pour que de telles réactions se produisent.

Les gens mènent depuis longtemps une fusion thermonucléaire incontrôlée ou explosive. En 1952, lors de l'opération Ivy Mike, les Américains ont fait exploser le premier engin explosif thermonucléaire au monde, qui n'avait aucune valeur pratique en tant qu'arme. Et en octobre 1961, la première bombe thermonucléaire (à hydrogène) au monde (« Tsar Bomba », « La mère de Kuzka »), développée par des scientifiques soviétiques sous la direction d'Igor Kurchatov, a été testée. C'était l'engin explosif le plus puissant de toute l'histoire de l'humanité : l'énergie totale de l'explosion, selon diverses sources, variait de 57 à 58,6 mégatonnes de TNT. Pour faire exploser une bombe à hydrogène, il faut d'abord obtenir une température élevée lors d'une explosion nucléaire conventionnelle - ce n'est qu'alors que les noyaux atomiques commenceront à réagir.

La puissance d'une explosion lors d'une réaction nucléaire incontrôlée est très élevée et, de plus, la proportion de contamination radioactive est élevée. Par conséquent, pour utiliser l’énergie thermonucléaire à des fins pacifiques, il est nécessaire d’apprendre à la contrôler.

4. Que faut-il pour une réaction thermonucléaire contrôlée ?

Tenez le plasma !

Pas clair? Expliquons maintenant.

Premièrement, les noyaux atomiques. Dans l'énergie nucléaire, on utilise des isotopes - des atomes qui diffèrent les uns des autres par le nombre de neutrons et, par conséquent, par la masse atomique. L'isotope de l'hydrogène, le deutérium (D), est obtenu à partir de l'eau. L'hydrogène super lourd ou tritium (T) est un isotope radioactif de l'hydrogène qui est un sous-produit des réactions de désintégration effectuées dans les réacteurs nucléaires conventionnels. Également dans les réactions thermonucléaires, un isotope léger de l'hydrogène est utilisé - le protium : c'est le seul élément stable qui ne possède pas de neutrons dans le noyau. L'hélium-3 se trouve sur Terre en quantités négligeables, mais il y en a beaucoup dans le sol lunaire (régolithe) : dans les années 80, la NASA a élaboré un plan d'installations hypothétiques pour traiter le régolithe et libérer un isotope précieux. Mais un autre isotope est répandu sur notre planète : le bore-11. 80 % du bore présent sur Terre est un isotope nécessaire aux scientifiques nucléaires.

Deuxièmement, la température est très élevée. La substance participant à la réaction thermonucléaire doit être un plasma presque complètement ionisé - il s'agit d'un gaz dans lequel flottent séparément des électrons libres et des ions de charges différentes. Pour transformer une substance en plasma, il faut une température de 10 7 – 10 8 K, soit des centaines de millions de degrés Celsius ! De telles températures ultra-élevées peuvent être obtenues en créant des décharges électriques de haute puissance dans le plasma.

Cependant, vous ne pouvez pas simplement chauffer les éléments chimiques nécessaires. N’importe quel réacteur s’évaporera instantanément à de telles températures. Cela nécessite une approche complètement différente. Il est aujourd’hui possible de confiner le plasma dans une zone limitée grâce à des aimants électriques ultra-puissants. Mais il n'a pas encore été possible d'utiliser pleinement l'énergie obtenue grâce à une réaction thermonucléaire : même sous l'influence d'un champ magnétique, le plasma se propage dans l'espace.

5. Quelles réactions sont les plus prometteuses ?

Les principales réactions nucléaires prévues pour la fusion contrôlée utiliseront le deutérium (2H) et le tritium (3H), et à plus long terme l'hélium-3 (3He) et le bore-11 (11B).

Voici à quoi ressemblent les réactions les plus intéressantes.

1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - réaction deutérium-tritium.

2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50 %

2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50 % - c'est ce qu'on appelle le monoergol deutérium.

Les réactions 1 et 2 sont lourdes de contamination radioactive neutronique. Les réactions « sans neutrons » sont donc les plus prometteuses.

3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - le deutérium réagit avec l'hélium-3. Le problème est que l’hélium-3 est extrêmement rare. Cependant, le rendement sans neutrons rend cette réaction prometteuse.

4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - le bore-11 réagit avec le protium, entraînant la formation de particules alpha qui peuvent être absorbées par la feuille d'aluminium.

6. Où réaliser une telle réaction ?

Un réacteur thermonucléaire naturel est une étoile. Dans celui-ci, le plasma est maintenu sous l'influence de la gravité et le rayonnement est absorbé - ainsi, le noyau ne refroidit pas.

Sur Terre, les réactions thermonucléaires ne peuvent être réalisées que dans des installations spéciales.

Systèmes d'impulsions. Dans de tels systèmes, le deutérium et le tritium sont irradiés avec des faisceaux laser ultra-puissants ou des faisceaux d’électrons/ions. Une telle irradiation provoque une séquence de microexplosions thermonucléaires. Cependant, de tels systèmes ne sont pas rentables à utiliser à l'échelle industrielle : pour accélérer les atomes, on dépense beaucoup plus d'énergie que celle obtenue par fusion, car tous les atomes accélérés ne réagissent pas. C’est pourquoi de nombreux pays construisent des systèmes quasi-stationnaires.

Systèmes quasi-stationnaires. Dans de tels réacteurs, le plasma est contenu par un champ magnétique à basse pression et haute température. Il existe trois types de réacteurs basés sur différentes configurations de champ magnétique. Ce sont des tokamaks, des stellarateurs (torsatrons) et des pièges à miroirs.

Tokamak signifie « chambre toroïdale avec bobines magnétiques ». Il s’agit d’une chambre en forme de « beignet » (tore) sur laquelle sont enroulées les bobines. La principale caractéristique d'un tokamak est l'utilisation d'un courant électrique alternatif qui traverse le plasma, le chauffe et, créant un champ magnétique autour de lui, le maintient.

DANS stellarateur (torsatron) le champ magnétique est entièrement contenu par des bobines magnétiques et, contrairement à un tokamak, peut fonctionner en continu.

En z pièges à miroir (ouverts) Le principe de réflexion est utilisé. La chambre est fermée des deux côtés par des « bouchons » magnétiques qui réfléchissent le plasma et le maintiennent dans le réacteur.

Pendant longtemps, les pièges à miroir et les tokamaks se sont battus pour la primauté. Au départ, le concept du piège semblait plus simple et donc moins cher. Au début des années 60, les pièges ouverts étaient abondamment financés, mais l'instabilité du plasma et les tentatives infructueuses de le contenir avec un champ magnétique ont contraint ces installations à devenir plus compliquées - des structures apparemment simples se sont transformées en machines infernales, et il était impossible d'obtenir un résultat stable. C'est pourquoi, dans les années 80, les tokamaks sont apparus. En 1984, est lancé le tokamak européen JET, qui ne coûte que 180 millions de dollars et dont les paramètres permettent une réaction thermonucléaire. En URSS et en France, des tokamaks supraconducteurs ont été conçus, qui ne consommaient pratiquement aucune énergie pour le fonctionnement du système magnétique.

7. Qui apprend aujourd’hui à réaliser des réactions thermonucléaires ?

De nombreux pays construisent leurs propres réacteurs thermonucléaires. Le Kazakhstan, la Chine, les États-Unis et le Japon possèdent leurs propres réacteurs expérimentaux. L'Institut Kurchatov travaille sur le réacteur IGNITOR. L'Allemagne a lancé le réacteur stellarateur à fusion Wendelstein 7-X.

Le plus connu est le projet international de tokamak ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) du centre de recherche de Cadarache (France). Sa construction devait être achevée en 2016, mais le montant du soutien financier nécessaire a augmenté et le calendrier des expériences a été reporté à 2025. L'Union européenne, les États-Unis, la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud et la Russie participent aux activités d'ITER. L'UE joue la majeure partie du financement (45 %), tandis que les autres participants fournissent des équipements de haute technologie. La Russie produit notamment des matériaux et des câbles supraconducteurs, des tubes radio pour chauffer le plasma (gyrotrons) et des fusibles pour les bobines supraconductrices, ainsi que des composants pour la partie la plus complexe du réacteur - la première paroi, qui doit résister aux forces électromagnétiques, au rayonnement neutronique et rayonnement plasmatique.

8. Pourquoi n'utilisons-nous pas encore de réacteurs à fusion ?

Les installations tokamak modernes ne sont pas des réacteurs thermonucléaires, mais des installations de recherche dans lesquelles l'existence et la conservation du plasma ne sont possibles que pendant un certain temps. Le fait est que les scientifiques n’ont pas encore appris à conserver longtemps le plasma dans un réacteur.

À l'heure actuelle, l'une des plus grandes réalisations dans le domaine de la fusion nucléaire est le succès des scientifiques allemands qui ont réussi à chauffer l'hydrogène gazeux à 80 millions de degrés Celsius et à maintenir un nuage de plasma d'hydrogène pendant un quart de seconde. Et en Chine, le plasma d'hydrogène a été chauffé à 49,999 millions de degrés et maintenu pendant 102 secondes. Des scientifiques russes de l'Institut de physique nucléaire G.I. Budker de Novossibirsk ont ​​réussi à obtenir un chauffage stable du plasma jusqu'à dix millions de degrés Celsius. Cependant, les Américains ont récemment proposé un moyen de conserver le plasma pendant 60 ans, ce qui est encourageant.

Par ailleurs, la rentabilité de la fusion nucléaire dans l’industrie fait l’objet d’un débat. On ne sait pas si les bénéfices de la production d’électricité couvriront les coûts de la fusion nucléaire. Il est proposé d'expérimenter des réactions (par exemple, abandonner la réaction traditionnelle deutérium-tritium ou monoergol au profit d'autres réactions), des matériaux de construction - ou même d'abandonner l'idée de fusion thermonucléaire industrielle, en l'utilisant uniquement pour des réactions individuelles de fission. réactions. Cependant, les scientifiques poursuivent leurs expériences.

9. Les réacteurs à fusion sont-ils sûrs ?

Relativement. Le tritium, utilisé dans les réactions de fusion, est radioactif. De plus, les neurones libérés suite à la synthèse irradient la structure du réacteur. Les éléments du réacteur eux-mêmes se couvrent de poussière radioactive en raison de l'exposition au plasma.

Cependant, un réacteur à fusion est bien plus sûr qu’un réacteur nucléaire en termes de rayonnement. Il y a relativement peu de substances radioactives dans le réacteur. De plus, la conception du réacteur lui-même suppose qu’il n’y a pas de « trous » par lesquels les radiations peuvent s’échapper. La chambre à vide du réacteur doit être scellée, sinon le réacteur ne pourra tout simplement pas fonctionner. Lors de la construction des réacteurs thermonucléaires, des matériaux testés par l'énergie nucléaire sont utilisés et une pression réduite est maintenue dans les locaux.

Une réaction en chaîne de fission s’accompagne toujours d’une libération d’énergie énorme. L'utilisation pratique de cette énergie est la tâche principale d'un réacteur nucléaire.

Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel se produit une réaction de fission nucléaire contrôlée ou contrôlée.

Sur la base du principe de fonctionnement, les réacteurs nucléaires sont divisés en deux groupes : les réacteurs à neutrons thermiques et les réacteurs à neutrons rapides.

Comment fonctionne un réacteur nucléaire à neutrons thermiques ?

Un réacteur nucléaire typique possède :

• Noyau et modérateur ;
• Réflecteur de neutrons ;
• Liquide de refroidissement ;
• Système de contrôle de réaction en chaîne, protection d'urgence ;
• Système de contrôle et de radioprotection ;
• Système de contrôle à distance.

1 - zone active ; 2 - réflecteur ; 3 - protections ; 4 - barres de commande ; 5 - liquide de refroidissement ; 6 - pompes ; 7 - échangeur de chaleur ; 8 - turbines ; 9 - générateur ; 10 - condensateur.

Noyau et modérateur

C’est dans le cœur que se produit une réaction en chaîne de fission contrôlée.

La plupart des réacteurs nucléaires fonctionnent avec des isotopes lourds de l'uranium 235. Mais dans les échantillons naturels de minerai d'uranium, sa teneur n'est que de 0,72 %. Cette concentration n’est pas suffisante pour qu’une réaction en chaîne se développe. Le minerai est donc enrichi artificiellement, portant la teneur de cet isotope à 3 %.

Les matières fissiles, ou combustible nucléaire, sous forme de comprimés sont placées dans des crayons hermétiquement fermés, appelés crayons de combustible (éléments combustibles). Ils imprègnent toute la zone active remplie de modérateur neutrons.

Pourquoi un modérateur de neutrons est-il nécessaire dans un réacteur nucléaire ?

Le fait est que les neutrons nés après la désintégration des noyaux d'uranium 235 ont une vitesse très élevée. La probabilité de leur capture par d'autres noyaux d'uranium est des centaines de fois inférieure à la probabilité de capture des neutrons lents. Et si leur vitesse n'est pas réduite, la réaction nucléaire pourrait s'éteindre avec le temps. Le modérateur résout le problème de la réduction de la vitesse des neutrons. Si de l’eau ou du graphite est placé sur le trajet de neutrons rapides, leur vitesse peut être artificiellement réduite et ainsi le nombre de particules capturées par les atomes peut être augmenté. Dans le même temps, une réaction en chaîne dans le réacteur nécessitera moins de combustible nucléaire.

En raison du processus de ralentissement, neutrons thermiques, dont la vitesse est presque égale à la vitesse de mouvement thermique des molécules de gaz à température ambiante.

L'eau, l'eau lourde (oxyde de deutérium D 2 O), le béryllium et le graphite sont utilisés comme modérateurs dans les réacteurs nucléaires. Mais le meilleur modérateur est l’eau lourde D2O.

Réflecteur de neutrons

Pour éviter les fuites de neutrons dans l'environnement, le cœur d'un réacteur nucléaire est entouré de réflecteur de neutrons. Le matériau utilisé pour les réflecteurs est souvent le même que celui des modérateurs.

Liquide de refroidissement

La chaleur dégagée lors d'une réaction nucléaire est évacuée à l'aide d'un liquide de refroidissement. L'eau naturelle ordinaire, préalablement purifiée de diverses impuretés et gaz, est souvent utilisée comme liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. Mais comme l'eau bout déjà à une température de 100 0 C et une pression de 1 atm, afin d'augmenter le point d'ébullition, la pression dans le circuit de refroidissement primaire est augmentée. L'eau du circuit primaire circulant dans le cœur du réacteur lave les crayons de combustible et s'échauffe jusqu'à une température de 320 0 C. Puis, à l'intérieur de l'échangeur thermique, elle cède de la chaleur à l'eau du circuit secondaire. L'échange s'effectue à travers des tubes d'échange thermique, il n'y a donc aucun contact avec l'eau du circuit secondaire. Cela empêche les substances radioactives de pénétrer dans le deuxième circuit de l'échangeur thermique.

Et puis tout se passe comme dans une centrale thermique. L'eau du deuxième circuit se transforme en vapeur. La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un générateur électrique qui produit du courant électrique.

Dans les réacteurs à eau lourde, le liquide de refroidissement est de l'eau lourde D2O, et dans les réacteurs à liquide de refroidissement, c'est du métal fondu.

Système de contrôle de réaction en chaîne

L'état actuel du réacteur est caractérisé par une grandeur appelée réactivité.

ρ = ( k-1)/ k ,

k = n je / n je -1 ,

Où k – facteur de multiplication des neutrons,

n je - le nombre de neutrons de la prochaine génération dans la réaction de fission nucléaire,

n je -1 , - le nombre de neutrons de la génération précédente dans la même réaction.

Si k ˃ 1 , la réaction en chaîne s'amplifie, le système s'appelle supercritique y. Si k< 1 , la réaction en chaîne s'éteint et le système s'appelle sous-critique. À k = 1 le réacteur est en état critique stable, puisque le nombre de noyaux fissiles ne change pas. Dans cet état réactivité ρ = 0 .

L'état critique du réacteur (le facteur de multiplication des neutrons requis dans un réacteur nucléaire) est maintenu en déplaçant barres de commande. Le matériau à partir duquel ils sont fabriqués comprend des substances absorbant les neutrons. En étendant ou en poussant ces tiges dans le cœur, la vitesse de la réaction de fission nucléaire est contrôlée.

Le système de contrôle assure le contrôle du réacteur lors de son démarrage, de son arrêt programmé, de son fonctionnement en puissance, ainsi que de la protection d'urgence du réacteur nucléaire. Ceci est réalisé en changeant la position des barres de commande.

Si l'un des paramètres du réacteur (température, pression, taux d'augmentation de puissance, consommation de combustible, etc.) s'écarte de la norme, ce qui peut conduire à un accident, des mesures spéciales barres de secours et la réaction nucléaire s'arrête rapidement.

S'assurer que les paramètres du réacteur sont conformes aux normes systèmes de contrôle et de radioprotection.

Pour protéger l'environnement des rayonnements radioactifs, le réacteur est placé dans une épaisse coque en béton.

Systèmes de contrôle à distance

Tous les signaux sur l'état du réacteur nucléaire (température du liquide de refroidissement, niveau de rayonnement dans différentes parties du réacteur, etc.) sont envoyés au panneau de commande du réacteur et traités dans des systèmes informatiques. L'opérateur reçoit toutes les informations et recommandations nécessaires pour éliminer certains écarts.

Réacteurs rapides

La différence entre les réacteurs de ce type et les réacteurs à neutrons thermiques est que les neutrons rapides résultant de la désintégration de l'uranium 235 ne sont pas ralentis, mais sont absorbés par l'uranium 238 puis convertis en plutonium 239. Par conséquent, les réacteurs à neutrons rapides sont utilisés pour produire du plutonium 239 de qualité militaire et de l’énergie thermique, que les générateurs des centrales nucléaires convertissent en énergie électrique.

Le combustible nucléaire de ces réacteurs est l'uranium 238 et la matière première est l'uranium 235.

Dans le minerai d'uranium naturel, 99,2745 % sont de l'uranium 238. Lorsqu’un neutron thermique est absorbé, il ne se fission mais devient un isotope de l’uranium 239.

Quelque temps après la désintégration β, l'uranium 239 se transforme en noyau de neptunium 239 :

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Après la deuxième désintégration β, du plutonium-239 fissile se forme :

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Et enfin, après la désintégration alpha du noyau du plutonium-239, on obtient de l'uranium-235 :

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Des barres de combustible contenant des matières premières (uranium 235 enrichi) sont situées dans le cœur du réacteur. Cette zone est entourée d'une zone de reproduction constituée de crayons combustibles contenant du combustible (uranium appauvri-238). Les neutrons rapides émis par le cœur après la désintégration de l'uranium 235 sont capturés par les noyaux d'uranium 238. Il en résulte la formation de plutonium 239. Ainsi, du nouveau combustible nucléaire est produit dans des réacteurs à neutrons rapides.

Les métaux liquides ou leurs mélanges sont utilisés comme caloporteurs dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides.

Classification et application des réacteurs nucléaires

Les réacteurs nucléaires sont principalement utilisés dans les centrales nucléaires. Avec leur aide, l'énergie électrique et thermique est produite à l'échelle industrielle. De tels réacteurs sont appelés énergie .

Les réacteurs nucléaires sont largement utilisés dans les systèmes de propulsion des sous-marins nucléaires modernes, des navires de surface et dans la technologie spatiale. Ils alimentent les moteurs en énergie électrique et sont appelés réacteurs de transport .

Pour la recherche scientifique dans le domaine de la physique nucléaire et de la chimie des rayonnements, on utilise des flux de neutrons et des quanta gamma obtenus dans le cœur. réacteurs de recherche. L'énergie qu'ils génèrent ne dépasse pas 100 MW et n'est pas utilisée à des fins industrielles.

Pouvoir réacteurs expérimentaux encore moins. Elle atteint une valeur de quelques kW seulement. Ces réacteurs étudient diverses grandeurs physiques dont la signification est importante dans la conception des réactions nucléaires.

À réacteurs industriels comprennent les réacteurs pour la production d'isotopes radioactifs utilisés à des fins médicales, ainsi que dans divers domaines industriels et technologiques. Les réacteurs de dessalement d'eau de mer sont également classés parmi les réacteurs industriels.

La réaction de fusion est la suivante : deux ou plusieurs noyaux atomiques sont pris et, en utilisant une certaine force, rapprochés si près que les forces agissant à de telles distances prévalent sur les forces de répulsion coulombienne entre noyaux de même charge, ce qui entraîne la formation d'un nouveau noyau. Il aura une masse légèrement inférieure à la somme des masses des noyaux d’origine, et la différence deviendra l’énergie libérée lors de la réaction. La quantité d'énergie libérée est décrite par la formule bien connue E=mc². Les noyaux atomiques plus légers sont plus faciles à rapprocher à la distance souhaitée, de sorte que l'hydrogène – l'élément le plus abondant dans l'Univers – est le meilleur combustible pour la réaction de fusion.

Il a été constaté qu'un mélange de deux isotopes de l'hydrogène, le deutérium et le tritium, nécessite le moins d'énergie pour la réaction de fusion par rapport à l'énergie libérée pendant la réaction. Cependant, bien que le deutérium-tritium (D-T) fasse l’objet de la plupart des recherches sur la fusion, il n’est en aucun cas le seul combustible potentiel. D'autres mélanges peuvent être plus faciles à produire ; leur réaction peut être contrôlée de manière plus fiable ou, plus important encore, produire moins de neutrons. Les réactions dites « sans neutrons » sont particulièrement intéressantes, car l'utilisation industrielle réussie d'un tel combustible signifiera l'absence de contamination radioactive à long terme des matériaux et de la conception du réacteur, ce qui, à son tour, pourrait avoir un impact positif sur l'intérêt public. avis et le coût global d’exploitation du réacteur, réduisant considérablement les coûts de son démantèlement. Le problème demeure que les réactions de synthèse utilisant des carburants alternatifs sont beaucoup plus difficiles à maintenir, la réaction D-T n’est donc considérée que comme une première étape nécessaire.

Schéma de la réaction deutérium-tritium

La fusion contrôlée peut utiliser différents types de réactions de fusion selon le type de combustible utilisé.

Réaction deutérium + tritium (carburant D-T)

La réaction la plus facilement réalisable est deutérium + tritium :

2 H + 3 H = 4 He + n à une puissance énergétique de 17,6 MeV (mégaélectronvolt)

Cette réaction est la plus facilement réalisable du point de vue des technologies modernes, elle offre un rendement énergétique important et les composants combustibles sont bon marché. Son inconvénient est la libération de rayonnements neutroniques indésirables.

Deux noyaux : le deutérium et le tritium fusionnent pour former un noyau d'hélium (particule alpha) et un neutron de haute énergie.

²H + ³He = 4 He + . avec une production d'énergie de 18,4 MeV

Les conditions pour y parvenir sont bien plus compliquées. L'hélium 3 est également un isotope rare et extrêmement coûteux. Il n’est actuellement pas produit à l’échelle industrielle. Cependant, il peut être obtenu à partir du tritium, qui est lui-même produit dans les centrales nucléaires.

La complexité de la réalisation d'une réaction thermonucléaire peut être caractérisée par le triple produit nTt (densité par température par temps de confinement). Par ce paramètre, la réaction D-3He est environ 100 fois plus complexe que la réaction D-T.

Réaction entre noyaux de deutérium (DD, monoergol)

Des réactions entre noyaux de deutérium sont également possibles, elles sont un peu plus difficiles que les réactions impliquant l'hélium-3 :

En conséquence, en plus de la réaction principale dans le plasma DD, les événements suivants se produisent également :

Ces réactions se déroulent lentement parallèlement à la réaction deutérium + hélium-3, et le tritium et l'hélium-3 formés au cours de celles-ci sont susceptibles de réagir immédiatement avec le deutérium.

Autres types de réactions

D'autres types de réactions sont également possibles. Le choix du combustible dépend de nombreux facteurs - sa disponibilité et son faible coût, la production d'énergie, la facilité d'obtention des conditions requises pour la réaction de fusion thermonucléaire (principalement la température), les caractéristiques de conception nécessaires du réacteur, etc.

Réactions « sans neutrons »

Les plus prometteurs sont les soi-disant. des réactions « sans neutrons », puisque le flux de neutrons généré par la fusion thermonucléaire (par exemple dans la réaction deutérium-tritium) emporte une partie importante de la puissance et génère une radioactivité induite dans la conception du réacteur. La réaction deutérium-hélium-3 est prometteuse en raison du manque de rendement en neutrons.

Conditions

Réaction nucléaire du lithium-6 avec le deutérium 6 Li(d,α)α

Le TCB est possible si deux critères sont remplis simultanément :

• Température du plasma :

• Conformité au critère de Lawson :

où est la densité du plasma à haute température, est le temps de rétention du plasma dans le système.

C'est de la valeur de ces deux critères que dépend principalement la vitesse d'apparition d'une réaction thermonucléaire particulière.

À l’heure actuelle, la fusion thermonucléaire contrôlée n’a pas encore été mise en œuvre à l’échelle industrielle. La construction du réacteur de recherche international ITER en est à ses débuts.

Énergie de fusion et hélium-3

Les réserves d'hélium-3 sur Terre varient de 500 kg à 1 tonne, mais sur la Lune, on le trouve en quantités importantes : jusqu'à 10 millions de tonnes (selon les estimations minimales - 500 000 tonnes). Actuellement, une réaction thermonucléaire contrôlée est réalisée par synthèse de deutérium ²H et de tritium ³H avec libération d'hélium-4 4 He et du neutron « rapide » n :

Cependant, la majorité (plus de 80 %) de l’énergie cinétique libérée provient du neutron. À la suite de collisions de fragments avec d’autres atomes, cette énergie est convertie en énergie thermique. De plus, les neutrons rapides génèrent des quantités importantes de déchets radioactifs. En revanche, la synthèse du deutérium et de l'hélium-3³He ne produit pas (presque) de produits radioactifs :

Où p est un proton

Cela permet d'utiliser des systèmes plus simples et plus efficaces pour convertir la réaction de synthèse cinétique, comme un générateur magnétohydrodynamique.

Conceptions de réacteurs

Deux schémas de base pour la mise en œuvre d'une fusion thermonucléaire contrôlée sont considérés.

Les recherches sur le premier type de réacteur thermonucléaire sont nettement plus développées que sur le second. En physique nucléaire, lors de l'étude de la fusion thermonucléaire, un piège magnétique est utilisé pour contenir le plasma dans un certain volume. Le piège magnétique est conçu pour empêcher le plasma d'entrer en contact avec les éléments du réacteur thermonucléaire, c'est-à-dire utilisé principalement comme isolant thermique. Le principe du confinement repose sur l'interaction de particules chargées avec un champ magnétique, notamment sur la rotation des particules chargées autour des lignes de champ magnétique. Malheureusement, le plasma magnétisé est très instable et a tendance à quitter le champ magnétique. Par conséquent, pour créer un piège magnétique efficace, les électroaimants les plus puissants sont utilisés, consommant une énorme quantité d'énergie.

Il est possible de réduire la taille d’un réacteur à fusion s’il utilise simultanément trois méthodes pour créer une réaction de fusion.

A. Synthèse inertielle. Irradiez de minuscules capsules de combustible deutérium-tritium avec un laser de 500 billions de watts :5. 10 ^ 14 W. Cette gigantesque et très brève impulsion laser de 10 ^ -8 secondes provoque l'explosion des capsules de carburant, entraînant la naissance d'une mini-étoile pendant une fraction de seconde. Mais une réaction thermonucléaire ne peut pas être obtenue.

B. Utilisez simultanément la machine Z avec le Tokamak.

La Z-Machine fonctionne différemment d’un laser. Il fait passer à travers un réseau de minuscules fils entourant la capsule de combustible une charge d'une puissance d'un demi-billion de watts (5,10^11 watts).

Ensuite, il se passe à peu près la même chose qu'avec le laser : à la suite de l'impact Z, une étoile se forme. Lors de tests sur la Z-Machine, il était déjà possible de lancer une réaction de fusion. http://www.sandia.gov/media/z290.htm Couvrez les capsules d'argent et reliez-les avec un fil d'argent ou de graphite. Le processus d'allumage ressemble à ceci : lancez un filament (attaché à un groupe de billes d'argent contenant un mélange de deutérium et de tritium) dans une chambre à vide. Lors d'une panne (décharge), formez un canal de foudre à travers eux et fournissez du courant à travers le plasma. Irradier simultanément les capsules et le plasma avec un rayonnement laser. Et en même temps ou plus tôt, allumez le Tokamak. utiliser trois processus de chauffage au plasma simultanément. Autrement dit, placez la machine Z et le chauffage laser ensemble à l'intérieur du Tokamak. Il peut être possible de créer un circuit oscillatoire à partir de bobines Tokamak et d'organiser la résonance. Cela fonctionnerait alors en mode oscillatoire économique.

Cycle du combustible

Les réacteurs de première génération fonctionneront très probablement avec un mélange de deutérium et de tritium. Les neutrons qui apparaissent pendant la réaction seront absorbés par la protection du réacteur, et la chaleur générée sera utilisée pour chauffer le liquide de refroidissement dans l'échangeur de chaleur, et cette énergie, à son tour, sera utilisée pour faire tourner le générateur.

La réaction avec le Li6 est exothermique, fournissant peu d'énergie au réacteur. La réaction avec le Li7 est endothermique – mais ne consomme pas de neutrons. Au moins certaines réactions du Li7 sont nécessaires pour remplacer les neutrons perdus lors des réactions avec d’autres éléments. La plupart des conceptions de réacteurs utilisent des mélanges naturels d’isotopes du lithium.

Ce carburant présente de nombreux inconvénients :

La réaction produit un nombre important de neutrons qui activent (contaminent radioactivement) le réacteur et l'échangeur de chaleur. Des mesures sont également nécessaires pour se protéger contre une éventuelle source de tritium radioactif.

Seulement environ 20 % de l’énergie de fusion est sous forme de particules chargées (le reste étant constitué de neutrons), ce qui limite la capacité de convertir directement l’énergie de fusion en électricité. L'utilisation de la réaction D-T dépend des réserves de lithium disponibles, qui sont nettement inférieures aux réserves de deutérium. L'exposition aux neutrons lors de la réaction D-T est si importante qu'après la première série d'essais au JET, le plus grand réacteur à ce jour utilisant ce combustible, le réacteur est devenu si radioactif qu'un système de télémaintenance robotique a dû être ajouté pour compléter le cycle d'essai annuel.

Il existe en théorie des carburants alternatifs qui ne présentent pas ces inconvénients. Mais leur utilisation se heurte à une limitation physique fondamentale. Pour obtenir une énergie suffisante de la réaction de fusion, il est nécessaire de maintenir un plasma suffisamment dense à la température de fusion (10 8 K) pendant un certain temps. Cet aspect fondamental de la fusion est décrit par le produit de la densité du plasma, n, et du temps de maintien du plasma chauffé, τ, nécessaire pour atteindre le point d'équilibre. Le produit nτ dépend du type de combustible et de la température du plasma. De tous les types de carburant, le mélange deutérium-tritium nécessite la valeur nτ la plus basse d'au moins un ordre de grandeur et la température de réaction la plus basse d'au moins 5 fois. La réaction D-T constitue donc une première étape nécessaire, mais l’utilisation d’autres carburants reste un objectif de recherche important.

La réaction de fusion comme source industrielle d'électricité

L’énergie de fusion est considérée par de nombreux chercheurs comme une source d’énergie « naturelle » à long terme. Les partisans de l’utilisation commerciale des réacteurs à fusion pour la production d’électricité citent les arguments suivants en leur faveur :

• Des réserves de carburant quasiment inépuisables (hydrogène)
• Le carburant peut être extrait de l’eau de mer sur n’importe quelle côte du monde, ce qui rend impossible la monopolisation du carburant par un ou plusieurs pays.
• Impossibilité d'une réaction de fusion incontrôlée
• Aucun produit de combustion
• Il n'est pas nécessaire d'utiliser des matériaux pouvant être utilisés pour produire des armes nucléaires, éliminant ainsi les cas de sabotage et de terrorisme.
• Par rapport aux réacteurs nucléaires, des quantités négligeables de déchets radioactifs sont produites avec une demi-vie courte.
• On estime qu’un dé à coudre rempli de deutérium produit une énergie équivalente à 20 tonnes de charbon. Un lac de taille moyenne peut fournir de l’énergie à n’importe quel pays pendant des centaines d’années. Il convient toutefois de noter que les réacteurs de recherche existants sont conçus pour réaliser une réaction directe deutérium-tritium (DT), dont le cycle du combustible nécessite l'utilisation de lithium pour produire du tritium, tandis que les allégations d'énergie inépuisable font référence à l'utilisation de deutérium-tritium. réaction du deutérium (DD) dans la deuxième génération de réacteurs.
• Tout comme la réaction de fission, la réaction de fusion ne produit pas d’émissions atmosphériques de dioxyde de carbone, qui contribuent largement au réchauffement climatique. Il s’agit d’un avantage non négligeable puisque l’utilisation de combustibles fossiles pour produire de l’électricité conduit par exemple aux États-Unis à produire 29 kg de CO 2 (l’un des principaux gaz pouvant être considéré comme une cause du réchauffement climatique) par habitant américain et par jour. .

Coût de l'électricité par rapport aux sources traditionnelles

Les critiques soulignent que la faisabilité économique du recours à la fusion nucléaire pour produire de l’électricité reste une question ouverte. La même étude commandée par l'Office of Science and Technology Records du Parlement britannique indique que le coût de la production d'électricité à l'aide d'un réacteur à fusion se situerait probablement à l'extrémité supérieure de l'éventail des coûts des sources d'énergie conventionnelles. Beaucoup dépendra de la technologie future, de la structure du marché et de la réglementation. Le coût de l'électricité dépend directement de l'efficacité d'utilisation, de la durée d'exploitation et du coût de démantèlement des réacteurs. Les critiques de l'utilisation commerciale de l'énergie de fusion nucléaire nient que les hydrocarbures soient fortement subventionnés par le gouvernement, à la fois directement et indirectement, par exemple par le biais du recours à l'armée pour assurer un approvisionnement ininterrompu ; ce type de subvention. La comptabilisation de ces subventions indirectes est très complexe et rend presque impossible des comparaisons précises des coûts.

Un autre problème est le coût de la recherche. Les pays de la Communauté européenne dépensent environ 200 millions d'euros par an pour la recherche, et il faudra probablement encore plusieurs décennies avant que l'utilisation industrielle de la fusion nucléaire ne soit possible. Les partisans des sources alternatives d'électricité estiment qu'il serait plus approprié d'utiliser ces fonds pour introduire des sources d'électricité renouvelables.

Disponibilité de l'énergie de fusion commerciale

Malheureusement, malgré l'optimisme largement répandu (depuis les années 1950, lorsque les premières recherches ont commencé), d'importants obstacles entre la compréhension actuelle des processus de fusion nucléaire, les capacités technologiques et l'utilisation pratique de la fusion nucléaire n'ont pas encore été surmontés. peut-être Il est économiquement rentable de produire de l’électricité par fusion thermonucléaire. Même si les progrès de la recherche sont constants, les chercheurs sont de temps en temps confrontés à de nouveaux défis. Par exemple, le défi consiste à développer un matériau capable de résister au bombardement de neutrons, estimé 100 fois plus intense que les réacteurs nucléaires traditionnels.

On distingue les étapes suivantes dans la recherche :

1.Mode équilibre ou « passe »(Seuil de rentabilité) : lorsque l'énergie totale libérée pendant le processus de synthèse est égale à l'énergie totale dépensée pour démarrer et maintenir la réaction. Cette relation est marquée du symbole Q. L'équilibre de réaction a été démontré au JET (Joint European Torus) au Royaume-Uni en 1997. (Après avoir dépensé 52 MW d’électricité pour le chauffer, les scientifiques ont obtenu une puissance de sortie supérieure de 0,2 MW à celle dépensée.)

2.Plasma flamboyant(Burning Plasma) : Une étape intermédiaire dans laquelle la réaction sera soutenue principalement par des particules alpha produites pendant la réaction, plutôt que par un chauffage externe. Q ≈ 5. Toujours pas atteint.

3. Allumage(Allumage) : une réaction stable qui se maintient. Devrait être atteint à des valeurs élevées de Q. Toujours pas atteint.

La prochaine étape de la recherche devrait être ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), le réacteur thermonucléaire expérimental international. Dans ce réacteur, il est prévu d'étudier le comportement du plasma à haute température (plasma enflammé avec Q ~ 30) et des matériaux de structure pour un réacteur industriel. La phase finale de la recherche sera DEMO : un prototype de réacteur industriel dans lequel l'allumage sera réalisé et l'adéquation pratique des nouveaux matériaux sera démontrée. La prévision la plus optimiste pour l’achèvement de la phase DEMO : 30 ans. Compte tenu du temps estimé pour la construction et la mise en service d’un réacteur industriel, nous sommes à environ 40 ans de l’utilisation industrielle de l’énergie thermonucléaire.

Tokamaks existants

Au total, environ 300 tokamaks ont été construits dans le monde. Les plus grands d’entre eux sont répertoriés ci-dessous.

• URSS et Russie
  • T-3 est le premier appareil fonctionnel.
  • T-4 - version agrandie du T-3
  • T-7 est une installation unique dans laquelle, pour la première fois au monde, est mis en œuvre un système magnétique relativement grand avec un solénoïde supraconducteur à base de niobate d'étain refroidi par de l'hélium liquide. La tâche principale du T-7 était achevée : les perspectives de la prochaine génération de solénoïdes supraconducteurs pour l'énergie thermonucléaire étaient préparées.
  • Le T-10 et le PLT sont la prochaine étape de la recherche thermonucléaire mondiale, ils ont presque la même taille, la même puissance, avec le même facteur de confinement. Et les résultats obtenus sont identiques : les deux réacteurs ont atteint la température de fusion thermonucléaire souhaitée, et le décalage selon le critère de Lawson n'est que de deux cents fois.
  • Le T-15 est un réacteur d'aujourd'hui doté d'un solénoïde supraconducteur donnant une intensité de champ de 3,6 Tesla.
• Libye
  • TM-4A
• Europe et Royaume-Uni
  • JET (anglais) (Joint Europeus Tor) est le plus grand tokamak du monde, créé par l'organisation Euratom au Royaume-Uni. Il utilise un chauffage combiné : 20 MW - injection neutre, 32 MW - résonance cyclotron ionique. En conséquence, le critère de Lawson n'est que 4 à 5 fois inférieur au niveau d'inflammation.
  • Tore Supra (français) (anglais) - un tokamak à bobines supraconductrices, l'un des plus grands au monde. Situé au centre de recherche de Cadarache (France).
• Etats-Unis
  • TFTR (anglais) (Test Fusion Tokamak Reactor) - le plus grand tokamak des USA (à l'Université de Princeton) avec chauffage supplémentaire par des particules neutres rapides. Un résultat élevé a été obtenu : le critère de Lawson à une vraie température thermonucléaire n'est que 5,5 fois inférieur au seuil d'inflammation. Fermé en 1997
  • NSTX (anglais) (National Spherical Torus Experiment) est un tokamak sphérique (spheromak) actuellement opérationnel à l'Université de Princeton. Le premier plasma du réacteur a été produit en 1999, deux ans après la fermeture du TFTR.

L’atome est la pierre angulaire de l’Univers. Il n’existe qu’une centaine de types différents d’atomes. La plupart des éléments sont stables (par exemple, l'oxygène et l'azote présents dans l'atmosphère ; le carbone, l'oxygène et l'hydrogène sont les principaux composants de notre corps et de tous les autres organismes vivants). D’autres éléments, pour la plupart très lourds, sont instables, c’est-à-dire qu’ils se désintègrent spontanément pour former d’autres éléments. Cette transformation s'appelle une réaction nucléaire.

Les réactions nucléaires sont des transformations de noyaux atomiques lors de l'interaction avec des particules élémentaires, des g-quanta ou entre eux.

Les réactions nucléaires sont divisées en deux types : la fission nucléaire et la fusion thermonucléaire.

La réaction de fission nucléaire est le processus de division d'un noyau atomique en deux (moins souvent trois) noyaux de masses similaires, appelés fragments de fission. À la suite de la fission, d'autres produits de réaction peuvent également apparaître : des noyaux légers (principalement des particules alpha), des neutrons et des rayons gamma. La division peut être spontanée (spontanée) et forcée.

Spontané (spontané) est une fission nucléaire, au cours de laquelle certains noyaux assez lourds se désintègrent en deux fragments de masses à peu près égales.

La fission spontanée a été découverte pour la première fois pour l'uranium naturel. Comme tout autre type de désintégration radioactive, la fission spontanée est caractérisée par une demi-vie (période de fission). La demi-vie de fission spontanée varie selon les noyaux dans des limites très larges (de 1018 ans pour le 93Np237 à plusieurs dixièmes de seconde pour les éléments transuraniens).

La fission forcée des noyaux peut être provoquée par n'importe quelle particule : photons, neutrons, protons, deutons, particules b, etc., si l'énergie qu'elles apportent au noyau est suffisante pour surmonter la barrière de fission. Pour l’énergie nucléaire, la fission provoquée par les neutrons revêt une plus grande importance. La réaction de fission des noyaux lourds a été réalisée pour la première fois sur l'uranium U235. Pour qu’un noyau d’uranium se désintègre en deux fragments, on lui confère une énergie d’activation. Le noyau d'uranium reçoit cette énergie en capturant un neutron. Le noyau entre dans un état excité, se déforme, un « pont » apparaît entre les parties du noyau, et sous l'influence des forces répulsives coulombiennes, le noyau se divise en deux fragments de masse inégale. Les deux fragments sont radioactifs et émettent 2 ou 3 neutrons secondaires.

Riz. 4

Les neutrons secondaires sont absorbés par les noyaux d'uranium voisins, provoquant leur fission. Dans des conditions appropriées, un processus auto-développé de fission nucléaire massive, appelé réaction nucléaire en chaîne, peut se produire. Cette réaction s'accompagne de la libération d'une énergie colossale. Par exemple, la combustion complète de 1 g d'uranium libère 8,28·1010 J d'énergie. Une réaction nucléaire est caractérisée par un effet thermique, qui est la différence entre les masses au repos des noyaux entrant dans la réaction nucléaire et celles formées à la suite de la réaction, c'est-à-dire L'effet énergétique d'une réaction nucléaire est déterminé principalement par la différence de masse des noyaux final et initial. Sur la base de l'équivalence de l'énergie et de la masse, il est possible de calculer l'énergie libérée ou dépensée lors d'une réaction nucléaire si l'on connaît exactement la masse de tous les noyaux et particules participant à la réaction. D'après la loi d'Einstein :

• ?E=?mс2
• ?E = (mA + mx - mB - mon)c2

où mA et mx sont respectivement les masses du noyau cible et du noyau bombardant (particule) ;

mB et my sont les masses des noyaux formés à la suite de la réaction.

Plus il y a d’énergie libérée lors de la formation d’un noyau, plus celui-ci est fort. L'énergie de liaison nucléaire est la quantité d'énergie nécessaire pour décomposer le noyau d'un atome en ses composants - les nucléons (protons et neutrons).

Un exemple de réaction en chaîne de fission incontrôlée est l'explosion d'une bombe atomique ; une réaction nucléaire contrôlée est effectuée dans des réacteurs nucléaires.

La fusion thermonucléaire est une réaction inverse de la fission atomique, une réaction de fusion de noyaux atomiques légers en noyaux plus lourds, se produisant à des températures ultra-élevées et accompagnée de la libération d'énormes quantités d'énergie. La mise en œuvre de la fusion thermonucléaire contrôlée donnera à l'humanité une nouvelle source d'énergie respectueuse de l'environnement et pratiquement inépuisable, basée sur la collision de noyaux d'isotopes d'hydrogène, et l'hydrogène est la substance la plus abondante dans l'Univers.

Le processus de fusion se produit avec une intensité notable uniquement entre des noyaux légers ayant une petite charge positive et uniquement à des températures élevées, lorsque l'énergie cinétique des noyaux en collision est suffisante pour surmonter la barrière de potentiel coulombienne. Les réactions entre les isotopes lourds de l'hydrogène (deutérium 2H et tritium 3H) se produisent à une vitesse incomparablement plus élevée avec la formation de noyaux d'hélium fortement liés.

2D + 3T > 4He (3,5 MeV) + 1n (14,1 MeV)

Ces réactions sont du plus grand intérêt pour le problème de la fusion thermonucléaire contrôlée. Le deutérium se trouve dans l'eau de mer. Ses réserves sont accessibles au public et très importantes : le deutérium représente environ 0,016 % du nombre total d'atomes d'hydrogène qui composent l'eau, tandis que les océans du monde couvrent 71 % de la superficie de la Terre. La réaction impliquant le tritium est plus attractive car elle s'accompagne d'un dégagement d'énergie important et se déroule à une vitesse importante. Le tritium est radioactif (demi-vie de 12,5 ans) et n'est pas présent dans la nature. Par conséquent, pour assurer le fonctionnement du réacteur thermonucléaire proposé utilisant le tritium comme combustible nucléaire, la possibilité de reproduction du tritium doit être prévue.

La réaction avec l'isotope lunaire 3He présente un certain nombre d'avantages par rapport à la réaction deutérium-tritium, qui est plus réalisable dans des conditions terrestres.

2D + 3He > 4He (3,7 MeV) + 1p (14,7 MeV)

Avantages :

• 1. 3Il n’est pas radioactif.
• 2. Flux de neutrons provenant de la zone de réaction dix fois inférieur, ce qui réduit considérablement la radioactivité induite et la dégradation des matériaux structurels du réacteur ;
• 3. Les protons résultants, contrairement aux neutrons, sont facilement capturés et peuvent être utilisés pour une production supplémentaire d’électricité.

L'abondance isotopique naturelle du 3He dans l'atmosphère est de 0,000137 %. La majeure partie du 3He sur Terre a été préservée depuis sa formation. Il se dissout dans le manteau et pénètre progressivement dans l'atmosphère. Sur Terre, il est extrait en très petites quantités, soit plusieurs dizaines de grammes par an.

L'hélium-3 est un sous-produit des réactions se produisant au soleil. En conséquence, sur la Lune, qui n'a pas d'atmosphère, il y a jusqu'à 10 millions de tonnes de cette substance précieuse (selon des estimations minimales - 500 000 tonnes). Lors de la fusion thermonucléaire, lorsqu'une tonne d'hélium-3 réagit avec 0,67 tonne de deutérium, une énergie est libérée équivalente à la combustion de 15 millions de tonnes de pétrole (cependant, la faisabilité technique de cette réaction n'a pas été étudiée pour le moment). Par conséquent, la ressource lunaire en hélium-3 devrait être suffisante pour la population de notre planète pendant au moins le prochain millénaire. Le principal problème reste la réalité de l’extraction de l’hélium du sol lunaire. La teneur en hélium-3 du régolithe est d'environ 1 g pour 100 tonnes. Par conséquent, pour extraire une tonne de cet isotope, il faut traiter au moins 100 millions de tonnes de sol. La température à laquelle la réaction de fusion thermonucléaire peut se produire atteint une valeur de l'ordre de 108 à 109 K. À cette température, la substance est dans un état complètement ionisé, appelé plasma. Ainsi, la construction d'un réacteur implique : l'obtention d'un plasma chauffé à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés ; maintenir la configuration du plasma au fil du temps pour que les réactions nucléaires se produisent.

L'énergie thermonucléaire présente des avantages importants par rapport aux centrales nucléaires : elle utilise du deutérium, de l'isotope hélium-3 et du tritium radioactif absolument non radioactifs, mais dans des volumes des milliers de fois inférieurs à ceux de l'énergie nucléaire. Et dans d'éventuelles situations d'urgence, le fond radioactif à proximité de la centrale thermonucléaire ne dépassera pas les indicateurs naturels. Dans le même temps, par unité de poids de combustible thermonucléaire, on obtient environ 10 millions de fois plus d'énergie que lors de la combustion de combustible organique et environ 100 fois plus que lors de la fission des noyaux d'uranium. Dans des conditions naturelles, des réactions thermonucléaires se produisent dans les profondeurs des étoiles, en particulier dans les régions intérieures du Soleil, et constituent une source constante d'énergie qui détermine leur rayonnement. La combustion de l'hydrogène dans les étoiles se produit à un rythme lent, mais la taille et la densité gigantesques des étoiles assurent l'émission continue d'énormes flux d'énergie pendant des milliards d'années.

Tous les éléments chimiques de notre planète et de l'Univers dans son ensemble se sont formés à la suite de réactions thermonucléaires qui se produisent dans le noyau des étoiles. Les réactions thermonucléaires dans les étoiles entraînent une modification progressive de la composition chimique de la matière stellaire, ce qui provoque la restructuration de l'étoile et son avancement le long du chemin évolutif. La première étape de l'évolution se termine par l'épuisement de l'hydrogène dans les régions centrales de l'étoile. Puis, après une augmentation de température provoquée par la compression des couches centrales de l'étoile, privées de sources d'énergie, des réactions thermonucléaires de combustion de l'hélium deviennent effectives, qui sont remplacées par la combustion de C, O, Si et des éléments suivants - jusqu'à Fe et Ni. Chaque étape de l'évolution stellaire correspond à certaines réactions thermonucléaires. Les premières réactions dans la chaîne de telles réactions nucléaires sont les réactions thermonucléaires à l'hydrogène. Elles se déroulent de deux manières selon la température initiale au centre de l'étoile. La première voie est le cycle de l’hydrogène, la deuxième voie est le cycle CNO.

Cycle de l'hydrogène :

• 1H + 1H = 2D + e+ + v +1,44 MeV
• 2D + 1H = 3He + g +5,49 MeV

I : 3He + 3He = 4He + 21H + 12,86 MeV

ou 3He + 4He = 7Be + g + 1,59 MeV

7Be + e- = 7Li + v + 0,862 MeV ou 7Be + 1H = 8B + g +0,137 MeV

II : 7Li + 1H = 2 4He + 17,348 MeV 8B = 8Be* + e+ + v + 15,08 MeV

III. 8Be* = 2 · 4He + 2,99 MeV

Le cycle de l'hydrogène commence par la collision de deux protons (1H ou p) pour former un noyau de deutérium (2D). Le deutérium réagit avec un proton pour former l'isotope léger (lunaire) de l'hélium 3He, émettant un photon gamma (g). L'isotope lunaire 3He peut réagir de deux manières différentes : deux noyaux de 3He entrent en collision pour former 4He avec élimination de deux protons, ou bien 3He se combine avec 4He et donne 7Be. Ce dernier, à son tour, capture soit un électron (e-), soit un proton, et une autre ramification de la chaîne de réactions proton-proton se produit. En conséquence, le cycle de l’hydrogène peut se terminer de trois manières différentes I, II et III. Pour mettre en œuvre la branche I, les deux premières réactions de V. c. doit se produire deux fois, puisque dans ce cas deux noyaux 3He disparaissent en même temps. Dans la branche III, des neutrinos particulièrement énergétiques sont émis lors de la désintégration du noyau de bore 8B avec formation d'un noyau de béryllium instable à l'état excité (8Be*), qui se désintègre presque instantanément en deux noyaux de 4He. Le cycle CNO est un ensemble de trois cycles liés ou, plus précisément, se chevauchant partiellement : CN, NO I, NO II. La synthèse de l'hélium à partir de l'hydrogène dans les réactions de ce cycle se produit avec la participation de catalyseurs dont le rôle est joué par de petits mélanges d'isotopes C, N et O dans la matière stellaire.

La principale voie de réaction du cycle CN est :

• 12C + p = 13N + g +1,95 MeV
• 13N = 13C + e+ + n +1,37 MeV
• 13C + p = 14N + g +7,54 MeV (2,7 106 ans)
• 14N + p = 15O + g +7,29 MeV (3,2 108 ans)
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV (82 secondes)
• 15N + p = 12C + 4He +4,96 MeV (1,12 105 ans)

L'essence de ce cycle est la synthèse indirecte d'une particule ab à partir de quatre protons lors de leur capture successive par les noyaux, à partir du 12C.

Dans la réaction avec capture d'un proton par le noyau 15N, un autre résultat est possible : la formation d'un noyau 16O et un nouveau cycle NO I est né.

Il a exactement la même structure que le cycle CN :

• 14N + 1H = 15O + g +7,29 MeV
• 15O = 15N + e+ + n +2,76 MeV
• 15N + 1H = 16O + g +12,13 MeV
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV
• 17O + 1H = 14N + 4He +1,19 MeV

Le cycle NO I augmente le taux de libération d'énergie dans le cycle CN, augmentant ainsi le nombre de noyaux catalytiques dans le cycle CN.

La dernière réaction de ce cycle peut également avoir une issue différente, donnant lieu à un autre cycle NO II :

• 15N + 1H = 16O + g +12,13 MeV
• 16O + 1H = 17F + g +0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n +2,76 MeV
• 17O + 1H = 18F + g +5,61 MeV
• 18O + 1H = 15N + 4He +3,98 MeV

Ainsi, les cycles CN, NO I et NO II forment un cycle CNO ternaire.

Il existe un autre quatrième cycle très lent, le cycle OF, mais son rôle dans la production d'énergie est négligeable. Cependant, ce cycle est très important pour expliquer l’origine du 19F.

• 17O + 1H = 18F + g + 5,61 MeV
• 18F = 18O + e+ + n + 1,656 MeV
• 18O + 1H = 19F + g + 7,994 MeV
• 19F + 1H = 16O + 4He + 8,114 MeV
• 16O + 1H = 17F + g + 0,60 MeV
• 17F = 17O + e+ + n + 2,76 MeV

Lors de la combustion explosive de l'hydrogène dans les couches superficielles des étoiles, par exemple lors des explosions de supernova, des températures très élevées peuvent se développer et la nature du cycle du CNO change radicalement. Cela se transforme en ce qu’on appelle le cycle CNO chaud, dans lequel les réactions sont très rapides et confuses.

Les éléments chimiques plus lourds que 4He ne commencent à être synthétisés qu'après combustion complète de l'hydrogène dans la région centrale de l'étoile :

4He + 4He + 4He > 12C + g + 7,367 MeV

Réactions de combustion du carbone :

• 12C + 12C = 20Ne + 4He +4,617 MeV
• 12C + 12C = 23Na + 1H -2,241 MeV
• 12C + 12C = 23Mg + 1n +2,599 MeV
• 23Mg = 23Na + e+ + n + 8,51 MeV
• 12C + 12C = 24Mg + g +13,933 MeV
• 12C + 12C = 16O + 24He -0,113 MeV
• 24Mg + 1H = 25Al + g

Lorsque la température atteint 5,109 K dans les étoiles dans des conditions d'équilibre thermodynamique, un grand nombre de réactions diverses se produisent, aboutissant à la formation de noyaux atomiques jusqu'à Fe et Ni.