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2) Bilan énergétique et critère de Lawson
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Comment
déclencher en nombre les réactions de fusion ? Il faut arriver à confiner
suffisamment efficacement un plasma suffisamment dense et chaud. Pourquoi ? Les
explications suivent ...
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a) Bilan de puissance du
plasma Comme
dans l'exemple d'une marmite, le bilan énergétique du plasma est déterminé par des sources
d'énergie qui alimentent le plasma et des pertes d'énergie qui le
refroidissent. Pour que le plasma soit stationnaire (c'est à dire qu'il ne
change pas au cours du temps), il faut
que ce bilan soit équilibré, c'est à dire que les sources compensent les
pertes.
Les sources
d'énergie : Pfusion et Pextérieure
Puissance fusion Pfusion
:
La puissance totale produite par la
réaction de fusion
D-T Pfusion
se répartit entre les produits de la réaction, les particules alpha,
c'est à dire les noyaux d'hélium (He), et les neutrons. On a donc :
Pfusion
= Palpha
+ Pneut |
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Les neutrons emportent environ 80% de l'énergie,
tandis que les particules alpha, plus lourdes, en conservent environ 20%. Mais
cette énergie ne finit pas au même endroit :
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Palpha : la principale source
d'énergie du plasma provient des particules alpha.
En effet, ces particules chargées sont confinées
par le champ magnétique du tokamak, et cèdent leur énergie au
plasma par collisions.
-
Pneut
: au contraire, les neutrons (n) issus de la réaction de fusion ne
sont pas sensibles au champ magnétique puisqu'ils n'ont pas de
charge, et s'échappent donc rapidement, sans avoir eu le temps de céder
leur énergie au plasma. Ils sont arrêtés dans les matériaux des
composants entourant la chambre à vide du tokamak.
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Puissance extérieure Pextérieure
:
Si l'énergie
provenant des réactions de fusion n'est pas suffisante pour compenser les
pertes, il faut pour maintenir le plasma lui fournir de l'énergie depuis
l'extérieur, grâce à un système de chauffage
additionnel. C'est la puissance extérieure Pextérieure
.
Les pertes d'énergie : Ppertes
-
Le confinement du plasma par le champ
magnétique n'est pas parfait : les particules et la chaleur diffusent
depuis le centre de la décharge vers l'extérieur. Les pertes
associées à ce transport des particules et de la
chaleur sont conséquentes.
-
Comme un corps chaud, le plasma se
refroidit aussi par rayonnement suivant divers processus. Les électrons
émettent un rayonnement de freinage en étant ralenti par les ions ("Bremsstrahlung").
Ils émettent également un rayonnement synchrotron lié à leur mouvement
de giration autour des lignes de champ, qui peut devenir conséquent
lorsque le plasma est porté à très haute température. Enfin, les impuretés
émises par la paroi entourant la chambre à vide produisent un rayonnement
de raies lors des différents processus de physique atomique qui ont lieu
dans le plasma. Ce terme peut devenir très important si la décharge est
fortement polluée, et peut même conduire à une perte brutale du
confinement du plasma : c'est ce qu'on appelle une disruption.
La somme de tous ces termes
donnent la puissance totale perdue par le plasma Ppertes.
Le bilan La
variation temporelle de l'énergie du plasma W peut donc s'écrire :
dW/dt
= Palpha
+ Pextérieure -
Ppertes
Rappel
: seules les particules alpha cèdent leur énergie au plasma, le reste de la
puissance fusion est dissipée dans les composants entourant le plasma. Si
le terme sources est supérieur au terme pertes (dW/dt >0), le plasma
gagne de l'énergie, dans le cas contraire (dW/dt <0), il en perd. Si
les sources compensent exactement les pertes (dW/dt =0), le plasma est
stationnaire. A
partir de là, on peut définir plusieurs quantités utiles. |
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C'est le temps caractéristique
de décroissance de l'énergie du plasma, autrement dit, c'est le temps que met
le plasma à se vider de son contenu énergétique si on coupe brutalement les
sources qui l'alimentent. On a donc :
W/ tE=
Ppertes
Attention
: ce temps n'a rien à voir avec la durée de la décharge, qui est elle fixée
par les capacités du système magnétique de la machine ou les instabilités du
plasma. Par exemple, sur Tore Supra, le temps de confinement de l'énergie est
de l'ordre de 200 millisecondes (soit 0,2 seconde) alors que les décharges durent plusieurs
dizaines de secondes voire des minutes. |
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C'est le rapport entre la
puissance par les réactions de fusion et la puissance extérieure
fournie au plasma par les systèmes de chauffage : Q
= Pfusion
/ Pextérieure Ce
chiffre qualifie donc le bilan énergétique du plasma : si il est supérieur à 1,
cela veut dire qu'on a produit plus d'énergie avec les réactions de fusion
qu'on a du en fournir pour entretenir le plasma.
Attention
: le facteur Q ne doit pas être confondu avec le rendement global de
l'installation. |
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C'est le stade correspondant à Q
= 1, c'est à dire le moment où la quantité d'énergie produite par les
réactions de fusion est égale à celle qu'on a du fournir pour entretenir le
plasma (
Pfusion=
Pextérieure)
. C'est une étape intéressante du point de vue scientifique, car le chauffage
du plasma est alors assuré de façon importante par les particules alpha et non
plus quasi uniquement par les chauffages additionnels, ce qui se rapproche de la
situation du réacteur. |
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C'est le stade où
la puissance fournie par les réactions de fusion suffit à elle seule à
compenser les pertes ( Palpha=
Ppertes)
et où on peut donc couper la puissance extérieure. Cela correspond à un
facteur d'amplification Q infini ( Pextérieure
= 0). Le plasma est alors auto-entretenu, comme la bougie qui une fois
enflammée par l'allumette (la puissance extérieure) se consume toute
seule. |
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La plupart des machines
expérimentales actuelles, destinées à la recherche et pas encore à la
production d'électricité, fonctionnent à Q<1, c'est à dire que le plasma
consomme plus d'énergie qu'il n'en fournit. Elles n'utilisent comme
combustible que du deutérium, ce qui permet de réaliser les études de
physique nécessaires sans utiliser de tritium radioactif, en extrapolant
ensuite les résultats obtenus en fusion
D-D à la fusion D-T.
Seules 2 machines ont pour le moment expérimenté l'utilisation du tritium : la
machine américaine TFTR, maintenant
fermée, et la machine européenne JET, qui
détient le record mondial de puissance fusion en D-T, avec 16 MégaWatts
produit correspondant à un facteur d'amplification de 0.64.
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