transport dans un plasma de tokamak et mode géodésique acoustique

transport dans un plasma de tokamak et mode géodésique acoustique

Les développements industriels et démographiques des sociétés humaines ont été accompagnés de besoins énergétiques croissant depuis plusieurs décennies. À plusieurs milliards d’individus sur Terre, il a été nécessaire de définir une politique énergétique afin de garantir l’approvisionnement et d’anti- ciper les conséquences de la consommation. À l’échelle de nations ou de regroupements de nations, les organisations politiques diversifient les sources d’énergie et recherchent le délicat équilibre entre celles-ci. Le concept de bouquet énergétique est né, cherchant à optimiser l’offre en tenant compte, par exemple, de la rareté et de la localisation des ressources, des contraintes et du coût de leur exploi- tation, de l’impact environnemental à différentes échelles de temps et d’espace, de l’opinion publique ainsi que de la qualité des relations internationales entre producteurs et consommateurs. Ainsi, les choix sont réalisés selon des facteurs techniques et humains. Le sol terrestre est un gisement consi- dérable de matériaux utiles à la production d’énergie, mais certaines ressources sont consommées beaucoup plus rapidement que leur temps caractéristique de renouvellement, s’il peut être défini. On qualifie ces énergies de non renouvelables.

On y compte les sources d’énergie majoritaires, de type fossile : pétrole, charbon, gaz naturel, gaz de schiste ou non fossile : uranium, thorium, etc., né- cessaires à la fission nucléaire. Des efforts relativement récents cherchent à augmenter la part de la consommation énergétique liée aux énergies renouvelables, telles l’éolien, l’hydroélectrique, la bio- masse, la géothermie, le solaire photovoltaïque et thermique, etc. Aucune solution universelle n’existe à ce jour : les énergies fossiles sont mises en cause pour leur contribution à la pollution atmosphérique et à l’effet de serre. Le gaz naturel, relativement prometteur, est mal réparti sur la planète et pose des problèmes géopolitiques. Dans le cas du gaz de schiste, les méthodes actuelles d’extraction du sous- sol sont contestées. La fission nucléaire résout en apparence les inconvénients des énergies fossiles mais son exploitation, dangereuse, demande beaucoup de rigueur, tandis que le traitement des dé- chets de la filière pose des défis encore non résolus. Les énergies renouvelables sont séduisantes mais sont difficiles à mettre en œuvre à l’échelle de la demande mondiale. Dans ce contexte, la recherche pour la production d’énergie à partir de fusion nucléaire prend tout son sens. Cette technique promet une production d’énergie à grande échelle tout en estompant fortement les difficultés associées à la fission (risques de défaillance et défi du traitement des déchets). Par ailleurs, les combustibles sont accessibles en grandes quantités sur Terre.

Principes de la fusion nucléaire

La fusion nucléaire consiste à faire fusionner deux noyaux atomiques pour former un élément plus lourd. De façon simplifiée, lors de la fusion de deux noyaux, deux forces sont en compétition : la force électrostatique, répulsive et à longue portée, et l’interaction forte, attractive et à plus courte portée. Le bilan d’énergie lié à la réunion des noyaux change avec la masse de ceux-ci (cf. figure 1.1). Pour les espèces les plus légères (de l’hydrogène au fer), un excédent d’énergie apparaît, sous forme d’énergie cinétique des produits de réaction ou de rayonnement. La réaction dégage une grande quantité d’énergie par nucléon, ce qui en fait une des sources d’énergie les plus concentrées. Pour les espèces les plus lourdes, le bilan énergétique est négatif. Pour cette raison, les projets de fusion nucléaire se concentrent sur les éléments légers tels l’hydrogène et ses isotopes, alors que la fission nucléaire n’est opérée que sur des éléments lourds.à une température optimale proche de T 100 keV , à laquelle toutes les particules sont ionisées et où le milieu est à l’état de plasma. Cette température optimale résulte d’un équilibre entre la présence de la barrière de potentiel, éliminant les trop faibles températures, et la faible probabilité de collision effi- cace des particules de vitesse élevée, éliminant les trop fortes températures. Le calcul des conditions optimales inclut le fait que des réactions peuvent avoir lieu à des énergies d’impact inférieures à la barrière électrostatique, par un effet quantique de type tunnel, augmentant les possibilités de réaliser la fusion sur Terre.

La fusion existe déjà dans la nature, par exemple au cœur du Soleil. De façon générale, les étoiles trouvent leur énergie dans la fusion thermonucléaire des protons qu’elles contiennent en leur cœur. L’ambition des programmes de recherche en fusion est de produire une réaction analogue sur Terre. Le principal obstacle à la réalisation de la fusion sur Terre est la barrière d’énergie électrostatique qu’il est nécessaire de franchir. Concrètement, cela signifie qu’il faut communiquer suffisamment d’énergie aux noyaux pour obtenir des réactions de fusion. Lors des impacts trop faibles, le choc entre noyaux est de type élastique, au bilan neutre en énergie. Dans le cœur du Soleil, le confinement est assuré par la gravité et les réactions de fusion ont lieu grâce à la très haute densité du milieu, environ cent cinquante fois plus grande que celle de l’eau sur Terre, associée à une température très élevée, de l’ordre de quinze millions de degrés. Sur Terre, l’Homme a d’abord pu produire de telles réactions de façon explosive et incontrôlée, à des fins militaires, en concevant la bombe H. La réalisation de la fusion à des fins domestiques est toujours à l’état de développement. Un des grands défis liés à la réalisation de cette réaction est le besoin de porter le cœur du plasma à une température extrême (plusieurs dizaines de millions de degrés) tout en évitant de faire fondre l’enceinte, avec un plasma suffisamment froid au bord.