la fusion: source prometteuse d’énergie

LA FUSION:Source prometteuse d’énergie

Claude Boucher

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

Plan

2

Pourquoi la Fusion ? Besoins énergétiques Changements climatiques

Concepts de base Réaction nucléaire Filières: Magnétique, Inertiel

Le TOKAMAK (toroidalnaya kamera magnitnaya) Bilan de puissance de la fournaise thermonucléaire

Temps de confinement Critère de Lawson « Break-even » vs « Ignition »

ITER Centrale électrique

211/05/2010


Consommation mondiale

11/05/2010 33

From BP Statistical Review of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622

462 EJ

1 Mtoe = 0.042 EJ


Prévision de la demande

11/05/2010 44

1 Gtoe = 42 EJ

IEA World Energy Outlookwww.worldenergyoutlook.org La demande mondiale croit de 45% d’ici à 2030 – un

taux moyen de croissance 1.6% par an – avec le charbon qui représente plus du tiers de l’augmentation


Carburants fossiles : Rapport entre les réserves et la production (R/P)

11/05/2010 55

De BP Statistical Review of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622


66

Estimation des réserves des principales ressources non renouvelables

EJ ( 278 TWhr)(1018 joules)

Durée(années)

Consommation mondiale annuelle (2007) ~4601,a 1

RessourceCharbon 22,9002 50b

Pétrole 6,3002 14b

Gaz naturel 5,4002 12b

Uranium 235 (fission ) 2,0002 5

Uranium 238 and thorium (surgénérateur) 120,0002 300

Lithium (D-T fusion)

Croute terrestre 30,000

Océans 30,000,000 1 Consortium Fusion Expo Europe 2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ )

a prévisions pour 2050 sont entre 500 et 800 EJb X 10 incluant sources « non-conventionelles »

11/05/2010


Renouvelables

11/05/2010 77

(Gauche) Production U.S. d’électricité tous carburants confondus, et (Droite) contribution des technologies de la biomasse, éolien, géothermique, et solaire aux sources non-hydro.Proceedings of the IPCC SCOPING MEETING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES, Lübeck, Germany, 20 – 25 January, 2008


Barrage de Beauharnois

11/05/2010 8

Puissance : 1 657 MW Type : Au-fil-de-l’eau Nombre de turbines : 38 Hauteur : 24 m Inauguré: 1932-1961 Système hydrologique:

Fleuve St-Laurence Réservoir :

Lac Saint-François Aire du réservoir :

233 km2

8


Panneaux photovoltaïques (PV)

11/05/2010 99

1 GWe à illumination solaire maximum de 1kW/m2

=> 1km x 1km pour efficacité 100%

Efficacité des PV ~10 à 20% avec nouvelles technologies ~40%


Éolien = 0,6 million km2

Superficie > France

AreaSolaire = 5,2 million de km2

= 56% of Canada or US= 2/3 of Australia

Tout renouvelable

11/05/2010 10

Hypothèses 2100 Population = 9 billion Efficacité élevée 100,000 TWh Moyenne de 11 TW ≈ actuel

10

Sources Solair = 40% Éolien = 40% Autres = 20%

Source: G. Lafrance, « Vivre après le pétrole mission impossible? » Éditions Multimondes, 2007.


Émissions CO2

11/05/2010 1111

IEA World Energy Outlookwww.worldenergyoutlook.org


Impacts climatiques (1)

11/05/2010 1212

Changements observés: (a) température de surface moyenne; (b) niveau des océans données de gauges marée (bleu) et satellite (rouge); et (c) Couverture neigeuse de l’hémisphère nord pour mars-avril.

Toutes les différences par rapport aux moyennes correspondantes pour la période 1961-1990. Les courbes lissées représentent des moyennes sur 10 ans et les cercles sur 1 an. Les zones ombragées représentent une estimation de l’incertitude.

IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report (Valencia, Spain, 12-17 November 2007)


Impacts climatiques (2)

11/05/2010 1313

United Nations Environment Program

SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))


Rôle des “renouvelables”

11/05/2010 14

Solair, éolien, biomasse, géothermique, … Faible densité ~ 20 % de la demande mondiale Utilisation intensive du terrain

Besoin d’une source propre, abondante et de haute densité

14

LA FUSION


Réaction D-T

11/05/2010 1515

E = MC2


Efficacité

11/05/2010 16

Chimique Fission Fusion

Réaction C+O2->CO2

n+U235

=> Ba143+Kr91+2nD+T

=> He+n

Carburant Charbon, Pétrole Uranium Deutérium et

Tritium

Température de réaction

(K)700 1000 108

Energie produite(J/kg)

3.3x107 2.1x1012 3.4x1014

16


Équivalence des carburants

11/05/2010 1717

0.6 tonne

150 tonnes

10,000,000 barrils

2,100,000 tonnes

De « Fusion, energy for the future », National fusion program, 1991

Quantité de carburant requise chaque année dans différents types de centrales (1000 MW)

Fusion

Fission

Pétrole

Charbon

1 pick-up truck

8 semi-trailors

7 super tankers, each of length equivalent to the CN tower

191 trains de 110 wagons each, for a total length of 400 km


Réactions de fusion

11/05/2010 1818

2 3 4 356 14 03 17 59D T He MeV n MeV MeV ( . ) ( . ) [ . ]

2 2 3 082 2 45 327D D He MeV n MeV MeV ( . ) ( . ) [ . ]

2 3 4 3 71 14 64 18 35D He He MeV p MeV MeV ( . ) ( . ) [ . ]

Section efficace élevée

50%

Section efficace faible

Plus d’autres réactions mais avec des sections efficaces très faibles

50%

2 2 3 101 302 4 03D D T MeV p MeV MeV ( . ) ( . ) [ . ]


Sections efficaces

11/05/2010 1919

http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/index.html


Production de Tritium

11/05/2010 2020

n + 6Li = He +T + 4.8 MeV

n + 7Li = He +T – 2.5 MeV + n

Le tritium est produit par l’interaction entre les neutrons de fusion et le lithium dans une couverture autour du plasmaLe lithium est abondant dans la nature. La concentration moyenne dans la croute terrestre est ~ 0.004% (mass)

Les “consommables” sont le deuterium et le lithium


21

Plasma

21

La matière est ionisée: électrons (-) et protons (+)Le taux d’ionisation relié

à la température:Une température élevée implique absence de neutresLes particules ont des

“fonction de distribution ”Les particules chargées

tournent autour des lignes de champ magnétique

11/05/2010


2222

Taux de réaction D-T

vT

9 10 0 476

6922

2 25

exp , ln,

T en KeV

m /sec3

1E-27

1E-26

1E-25

1E-24

1E-23

1E-22

1E-21

1E-20

1 10 100 1000

T (keV)

<v>

11/05/2010


Géométrie toroïdale

11/05/2010 2323

Axes:Toroïdal

Poloïdal

Radial

Propriétés:Élongation

Triangularité

Rapport d’aspect

e = 1/A = a/R

q = aBf / RBqe(Bf / Bq)

b = p / (B2 / 2m0)


Confinement magnétique: Le tokamak

11/05/2010 2424

Le tokamak fonctionne un transformateur. Une rampe de courant dans le circuit primaire génère un courant constant (plasma) dans le secondaire

Courant plasma

Circuit secondaireChamp toroidal

Champ poloidalChamp hélicoïdal

Circuit primaireBobines toroidales


Sphéromak (Spherical Tokamak)

11/05/2010 25

Coûts réduitsMeilleure stabilité (b plus élevé)

http://www.ccfe.ac.uk/MAST.aspx

Courant 1,2 MaTempérature < 23,000,000°CDurée < 1 secondVolume 8m³Densité 1020 m-3

Diamètre ~ 3m

MAST


Stellarator

11/05/2010 26

Pas de courant dans le plasmaHélicité fournie par les bobines (couleur cuivre )18 des 36 bobines toroidales sont montrées

http://prl.anu.edu.au/H-1NF/plasma_fusion/H-1 heliac


Confinement inertiel: LASER

11/05/2010 27

Cibles de quelques mg de DT

Impulsion LASER ~MJ

NIF

Nd:Verre , 500 TW, 1.8 MJ, 0.35 micron (4 MJ, 1.06 micron triplé)

192 faisceaux

Compression à 200g/cm3

Article de revue par S Atzeni, Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029

Cross-sectional view of the KOYO-F fast ignition reactor (Norimatsu et al. US-Japan workshop on Power Plant Studies and related Advanced Technologies)


National Ignition Facility (NIF)

11/05/2010 28

Phys. Plasmas 12, 056316 (2005); doi:10.1063/1.1885003 (8 pages)

Nd:Verre , 500 TW, 1.8 MJ, 0.35 micron (4 MJ, 1.06 micron triplé)192 faisceaux dans « hohlraum »« indirect-drive » pour rayons-X


Courbes de Gain

11/05/2010 29

Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029 (14pp)

Les zones grises illustrent les résultats pour le « indirect-drive » avec différentes valeurs de vitesse d’implosion et de température de radiation. Les deux courbes qui délimitent chaque zone résultent de différentes hypothèses du fini de surface de la capsule. Le point noir illustre le concept de base (« baseline design ») de NIF.

Le point blanc est pour un concept plus récent


Géométries magnétique

11/05/2010 3030

Limiteur Déflecteur

TEXTOR TdeV


Tokamaks existants

11/05/2010 31

Source: Pamela-Solano EFDA

http://www.toodlepip.com/tokamak/

All-the-World's Tokamaks


Tokamak - impulsion

11/05/2010 3232

TOKAMAK

Charge du transformateur

Chute rapide pour claquage

Montée du courant plasma

Chauffage Ohmic + auxiliary

Plateau,

Descente du courant


3333

Bilan de puissance

P n a TR/ 2 1 2

Ions3/2(nTi)

Electrons3/2 (nTe)

Pi,i

Pi,e

Po,i

Po,e

PR

Pi

Po = 3n T

E

SOURCES (i) PERTES (o)

fTD

fTDf

Evnnnn

EvnnP

22

4

Pa

Pnneutrons

alphasPf

P ia , P ea ,

11/05/2010


Temps de confinement(Break-even)

11/05/2010 3434

P P Pi o RP Pi f

nT

v E a TE

f

1

41 2/

Sources = Pertes

« Break-even » quand la puissance dans les produits de fusion est équilibrée celle injectée

Ceci détermine la condition de « break-even » pour le produit nE

Q = Pf / Pi = 1


Temps de confinement(Ignition)

35

nT

v E a TE

a

314

1 2/

Pn

v Ea a2

4

Pa P Po RPour l’ignition, l’énergie dans les particules a est “recyclée” et chauffe le nouveau D et T injecté.

La réaction de fusion est alors maintenue avec Pi = 0

Q devient infini

11/05/2010


3636

Temps de confinement

1E+19

1E+20

1E+21

1E+22

1E+23

1 10 100 1000T en keV

nTau

E

Ignition BreakEaven

11/05/2010


Résultats

11/05/2010 3737

De « Contemporary Physics Education Project »http://FusEdWeb.pppl.gov


JET: LE TOKAMAK LE PLUS GRAND AU MONDE

11/05/2010 3838


Démonstration

11/05/2010 3939

Qin Pfus Pin 0.62

Source: Pamela-Solano, EFDA-JETWatkins, JET

Qtot Pfus Ploss Pa( ) 0.95

Continu


ITER : Historique

11/05/2010 40

1985 Sommet de Genève 1986 début 1988-1990 CDA (Conception)

US-EU(Canada)-J-FR 1990-1992 intérim 1992-1998 EDA (Ingénierie)

US-EU(Canada)-J-FR 1998-2001 EDA 2 (Ingénierie détaillée )

EU(Canada)-J-FR 2001-2002 CTA (technique, négociations)

EU-Canada-J-FR 2005 Sélection du site (Cadarache France) 2007-2019 Construction 2019-2036 Expérience 2036 Mise hors service

40

Coûts8500 M$CAD Construction8500 M$CAD Expérience<1000 M$CAD Mise hors service

http://www.iter.org/proj/Pages/ITERMilestones.aspx


11/05/2010 4141

ITER


ITER : Programme

11/05/2010 42

Operation à Q=10 avec fenêtre de paramètres significative pour la longueur d’impulsion cohérent avec les temps caractéristiques.

Operation à Q élevé pour implulsions longues.

Études des opération continues à Q=5 Atteindre l’ignition controllée conditions

42


4343

AUG JET

ITER

ITER confinement

http://www.tokamak.info/

11/05/2010


44

ITER : Diagnostics

11/05/2010


4545

ITER aujourd’hui Construction

débutée Achats et contrats

alloués

http://www.iter.org/newsline/Pages/Archive.aspx

Le 28 février 2009, « ITER Organization » compte 356 employés: 235 professionnels et 121 soutien.Les sept Parties sont représentés parmi les professionnels:141 de EU,10 de l’Inde,19 du Japon,15 de la Chine,16 de la Coré,17 de la Russie, et17 des États-Unis.

11/05/2010


4646

Défis

Modélisation Matériaux

Résistance aux charges et chocs thermiques Activation

Couverture T Génération (breeding) > 1

Manipulation robotique Assemblage Entretien

Taux de répétition Confinement inertiel : 1 à 10 coups par seconde pour Confinement magnétique: décharges de l’ordre de ~1000 sec dans ITER

11/05/2010


4747

Centrale thermonucléaire

De « La fusion thermonucléaire, une chance pour l’humanité », J. Ongena, G. Van Oost et Ph. Mertens, 2001

Scénario de remplacement du carburant fossile liquide:

Fusion fourni l’électricité nécessaire à la production de l’hydrogène pour les piles à combustible.

11/05/2010


4848

CONCLUSIONE=mc2

Technologie nucléaire

Fission

FUSION

11/05/2010


4949

Merci !

[email protected]://claude.emt.inrs.ca

11/05/2010

mailto:[email protected]

la fusion: source prometteuse d’énergie

Documents

nergies renouvelables

renouvelables ej

fusion sun

about other avenues

noted gtoe

from http

ej31 ej

oil equivalent