Fusion nucléaire

[invitecfe245d2]

bonjour, je voudrait savoir , dans le cadre de mon projet personnelle, les avantages et les inconvénients de la fusion nucléaire mais pour chaque exemple, il me faut l'explication.
c'est cette l'explication qu'il me manque.

merci encore.
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[Paraboloide_Hyperbolique]

Bonjour,

Avez-vous commencé une recherche documentaire* ?

*Comme ici: http://www.cea.fr/energie/fusion-the...on-thermonucle

[Kiraxel]

En fait, j'ai un prof m'a récemment parlé des innovations en fusion nucléaire.

A la base, la fusion nucléaire avait tout pour plaire :

1) Le tritium et le deutérium sont obtenus à partir de l'eau, qui est renouvelable.
2) Les quantités d'énergie libérées sont énormes par rapport à la fission nucléaire
3) Pas de lourds déchets radioactif à éliminer, juste les parois du tokamak qui deviennent radioactives à cause de quelques neutrons émis.
4) Ce n'est pas une réaction en chaîne, a priori pas de risque d'emballement ni de catastrophe nucléaire majeure.

Mais la technologie s'est développée très lentement à cause, majoritairement, d'un problème insurmontable : il faut absolument confiner le plasma extrêmement chaud au cœur du tokamak avec un très fort champs magnétique. C'est pourquoi il faut l'entourer d'un très fort électro-aimant, avec une bobine très chère constituée d'éléments précieux. Mais le problème, c'est au cours de la fusion, les neutrons viennent endommager la bobine - malgré les protections - et que celle ci, fragilisée, a tendance à surchauffer et à entrer elle même en fusion... le bordel quoi.
Et on apparemment on bloque sur ce problème depuis des années. Sans oublier que pour l'instant le rendement énergétique est négatif.
Ce n'est même pas sûr qu'un jour la fusion nucléaire fasse partie de notre quotidien.

Sinon, moi, il y a un truc que je n'ai jamais compris :

L'énergie générée par une réaction chimique est égale à l'énergie interne des molécules réactives moins l'énergie interne des molécules produits ; la différence d'énergie de liaison entre l'état initial et l'état final est égale à l'énergie dégagée par la réaction ( ou bien l'énergie qu'il faut fournir si la réaction n'est pas spontanée - l'enthalpie libre, tout ça tout ça ).

L'énergie générée par une réaction nucléaire se calcule avec le défaut de masse, ce qui correspond à la variation d'énergie interne des constituants du noyau, cette énergie étant relachée au cours de la réaction nucléaire.

Mais ce que je ne comprends pas, c'est comment pourrait t'on avoir rendement énergétique positif avec la fusion nucléaire, en tenant en compte l'énergie dépensée pour créer du deutérium et du tritium. Produire ces deux éléments est très cher : il faut les produire, les séparer, ce qui demande de l'énergie, sans compter les pertes de rendement et les pertes énergétiques... Les lois de la thermodynamique stipulent qu'on ne peut créer de l'énergie à partir du néant. Ainsi, au cours de la réaction de fusion, on devrait récupérer, s'il n'y a aucune perte énergétique et que les rendements sont de 100 %, que et seulement que l'énergie que l'on a dépensé pour créer le deutérium et le tritium. Comment espérer faire une centrale électrique en considérant un rendement énergétique nul ou négatif ?

C'est très différent de la fission nucléaire, pour laquelle la matière fissible que l'on emploie est créée par la nature, et qu'elle possède à la base une grande énergie interne qui ne demande qu'à être relarguée. Bien sûr l'homme dépense un peu d'énergie pour concentrer la matière fissible ( d'où l'expression uranium enrichi ), mais le bilan énergétique reste positif...

[phys4]

Bonjour,

Le deutérium n'est pas couteux à produire, il existe dans la nature et se concentre de lui-même dans certaines installations chimiques qui utilisent l'électrolyse.
C'est presque un sous-produit pour certaines industries.
Le tritium est un déchet secondaire dans les réacteurs nucléaires à fission et sera aussi produit dans les rréacteurs à fusion, car ils s'obtiennent facilement par réaction des neutrons sur l'eau.

Enfin il n'y a pas de création d'énergie car même en partant de l'hydrogène, le bilan de masse entre hydrogène et hélium donne beaucoup d'énergie, demandez donc au Soleil.

Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite0bbe92c0]

Mais ce que je ne comprends pas, c'est comment pourrait t'on avoir rendement énergétique positif avec la fusion nucléaire, en tenant en compte l'énergie dépensée pour créer du deutérium et du tritium.

Parce qu'on ne les crée pas. 1/3200 ème de l'eau est de l'eau lourde, où l'hydrogène est du deuterium; il "suffit" de l'isoler et d'obtenir le deuterium par electrolyse. (on peut aussi le faire via des procédés chimiques).

Pour le tritium, qui est beaucoup plus rare, c'est un peu plus compliqué, mais le principe est le même.

[Gilgamesh]

Pour le point 1) : ce n'est vrai pour le deutérium mais pas pour le tritium. C'est un isotope radioactif de courte période (t1/2 ~ 12 ans) et par conséquent il n'existe qu'à l'état de traces dans l'environnement terrestre (environ 200g par an produit sur l'ensemble du globe par l’action des neutrons émis par le rayonnement cosmique sur l’azote et l’oxygène de l’air). Il est également produit en petites quantités dans les réacteurs nucléaires par réaction des neutrons avec les produits chimiques de conditionnement du circuit primaire (bore-10 et lithium-6). Ca représente une production de l'ordre de 0,1 g/GWe/an.

La consommation de tritium d'ITER devrait être de l’ordre de 1,2 kg par an => il devra être généré sur place, dans l'enceinte même du tokamak. Pour cela on va utiliser l'interaction des neutrons issus de la réaction de fusion avec une couche de lithium disposé en couverture autours du tokamak.

L'efficience du système tritigène (captation des neutrons, récupération du tritium gazeux) est un point absolument essentiel pour la faisabilité de la fusion industrielle.


https://www.iter.org/fr/mach/tritiumbreeding

edit: grillé, évidemment ^_^

[Kiraxel]

D'accord merci pour les réponses, je ne savais pas que le tritium était produit sur place.

Mais je reste sceptique quant à l'énergie dépensée pour avoir le deutérium. Déjà, séparer des éléments chimiques proches comme les terres rares demande une quantité d'énergie inouïe, c'est encore pire pour séparer des isotopes - qui ont pourtant les mêmes propriétés chimiques - et qui ne diffèrent que par quelques propriétés physiques.

Vous savez, parfois, et même souvent, en chimie, le plus dur, le plus couteux en temps et en énergie n'est pas toujours l'étape de synthèse mais bel et bien l'étape de purification. Donc même si le deutérium existe dans la nature, je suis sûr et certain que séparer et recueillir un kilo de deutérium est plus coûteux que de synthétiser un kilo de méthanol ( motif chimique de base et sous-produit de nombreuses réactions )

[invite0bbe92c0]

D'accord merci pour les réponses, je ne savais pas que le tritium était produit sur place.

Mais je reste sceptique quant à l'énergie dépensée pour avoir le deutérium. Déjà, séparer des éléments chimiques proches comme les terres rares demande une quantité d'énergie inouïe, c'est encore pire pour séparer des isotopes - qui ont pourtant les mêmes propriétés chimiques - et qui ne diffèrent que par quelques propriétés physiques.

Bien moindre que l'énergie produite par la fusion; l'énergie des liaisons chimique n'est tout simplement pas du même ordre de grandeur (de mémoire le rapport est de l'ordre de 200 000).

[Kiraxel]

Ok merci pour les réponses.

Sinon, j'enchaîne alors avec une question moins scientifique et plus de société, mais...
Vous pensez qu'un jour la fusion nucléaire sera la solution à tous nos problèmes énergétiques ?

J'veux dire si on arrive un jour à enfin avoir un rendement énergétique positif, normalement on aura une énergie en très grande quantité et inépuisable ( à moins d'épuiser toute l'eau condensée sur terre ), qui pollue très peu en comparaison des énergies fossiles. Cela réglerait bien des problèmes de notre société actuelle, et on pourrait se concentrer sur l'écologie, apporter l'énergie aux populations qui en sont démunies etc.

[Gilgamesh]

Oui, c'est clair que ça représente une énergie dérisoire à produire et à purifier.

Y'a différents moyens listés ici: http://media.cns-snc.ca/Bulletin/A_M...eavy_Water.pdf

Prix : 300 $/kg D2O.

[obi76]

Bonjour,

1) Le tritium et le deutérium sont obtenus à partir de l'eau, qui est renouvelable.

non, elle n'est pas renouvelable dans le cas de la fusion. Le deutérium et le tritium sont transformées en hélium, donc on ne peut pas reformer d'eau ensuite.

2) Les quantités d'énergie libérées sont énormes par rapport à la fission nucléaire

Tout est relatif. A masse de combustible égal, oui. Sauf que dans ITER, du gaz il n'y en aura que quelques grammes, contrairement aux dizaines de tonnes d'uranium dans un coeur nucléaire.

3) Pas de lourds déchets radioactif à éliminer, juste les parois du tokamak qui deviennent radioactives à cause de quelques neutrons émis.

"quelques"... non : le but c'est vraiment de le bombarder, puisque c'est la couverture tritigène qui se trouve sur les parois qui est censé faire le tritium pour entretenir la fusion.

4) Ce n'est pas une réaction en chaîne, a priori pas de risque d'emballement ni de catastrophe nucléaire majeure.

Ca, clairement aucun risque, oui.

Mais la technologie s'est développée très lentement à cause, majoritairement, d'un problème insurmontable : il faut absolument confiner le plasma extrêmement chaud au cœur du tokamak avec un très fort champs magnétique. C'est pourquoi il faut l'entourer d'un très fort électro-aimant, avec une bobine très chère constituée d'éléments précieux. Mais le problème, c'est au cours de la fusion, les neutrons viennent endommager la bobine - malgré les protections - et que celle ci, fragilisée, a tendance à surchauffer et à entrer elle même en fusion... le bordel quoi.

Le problème d'interaction neutron / bobine est clairement minoritaire face au problème de tenue en température de la paroi. Le sujet de recherche ne s'oriente pas là dessus car ce n'est plus un problème.

Et on apparemment on bloque sur ce problème depuis des années.

Ce n'est pas la dessus qu'on bloque. On bloque - entre autres - sur la stabilité du plasma, et sur la diffusion préférentielle qui doit éjecter les produits de fission du cœur tout en entraînant le combustible vers lui.

Ce n'est même pas sûr qu'un jour la fusion nucléaire fasse partie de notre quotidien.

Ca, c'est la recherche...

Mais ce que je ne comprends pas, c'est comment pourrait t'on avoir rendement énergétique positif avec la fusion nucléaire, en tenant en compte l'énergie dépensée pour créer du deutérium et du tritium. Produire ces deux éléments est très cher : il faut les produire, les séparer, ce qui demande de l'énergie, sans compter les pertes de rendement et les pertes énergétiques... Les lois de la thermodynamique stipulent qu'on ne peut créer de l'énergie à partir du néant. Ainsi, au cours de la réaction de fusion, on devrait récupérer, s'il n'y a aucune perte énergétique et que les rendements sont de 100 %, que et seulement que l'énergie que l'on a dépensé pour créer le deutérium et le tritium. Comment espérer faire une centrale électrique en considérant un rendement énergétique nul ou négatif ?

De l'énergie pour la fusion, il en faut pour plein de choses : chauffer le plasma, alimenter les bobines, isoler le deutérium, le tritium, etc. Mais tout ça mit bout à bout, SI on arrive à faire de la fusion controlée, l'énergie récupérée sera nettement supérieure à celle nécessaire pour le fonctionnement du bidule.

mais le bilan énergétique reste positif...

Pour la fission, les étoiles qui ont formé l'uranium ne seront pas d'accord avec vous : leur bilan énergétique pour le fabriquer est clairement négatif

[obi76]

Vous pensez qu'un jour la fusion nucléaire sera la solution à tous nos problèmes énergétiques ?

On fait tout pour que ça marche, en tous cas... Après ma boule de cristal est en panne, difficile de savoir si ça marchera, si ça sera viable, si politiquement ça suivra, etc...

[Kiraxel]

C'est bizarre pourtant , l'eau lourde utilisée en RMN est tellement chère...

Peut être que le prix que vous avancez est d'une pureté intermédiaire...

[Kiraxel]

Merci à Obi76 pour sa réponse bien complète.

Pourtant j'avais un prof il y a deux ans qui nous disait que le problème des matériaux qui absorbait les neutrons était très problématique, en particulier pour la bobine, qui doit être protégée mais qui ne peut être trop distante du plasma non plus. Et ça me parait logique, vu l'intensité du champs magnétique utilisé, que le moindre défaut sur la bobine engendré par des neutrons provoque un point de faiblesse , un point chaud qui provoque de gros dégâts sur une bobine constituée de matériaux très chers à la base...

[obi76]

Pourtant j'avais un prof il y a deux ans qui nous disait que le problème des matériaux qui absorbait les neutrons était très problématique, en particulier pour la bobine, qui doit être protégée mais qui ne peut être trop distante du plasma non plus.

Non, pour les bobines ce n'est plus un problème. Le but étant que ce sont les parois du tokamaks qui DOIT en absorber le maximum pour pouvoir générer le tritium. Et ça, des matériaux absorbants (et au pire réfléchissants) , on sait faire

Et ça me parait logique, vu l'intensité du champs magnétique utilisé, que le moindre défaut sur la bobine engendré par des neutrons provoque un point de faiblesse , un point chaud qui provoque de gros dégâts sur une bobine constituée de matériaux très chers à la base...

Je n'ai jamais entendu parler de ça et je n'ai pas croisé un seul groupe de travail ni chercheur qui ait évoqué ce problème. Et pourtant, des problématiques, j'en ai vu pas mal

Après lors d'une fusion entretenue, il est possible que ce qui a été négligé jusqu'à maintenant devienne un problème. Mais au pif comme ça je n'y crois pas trop à celui là.

[Gilgamesh]

C'est bizarre pourtant , l'eau lourde utilisée en RMN est tellement chère...

Peut être que le prix que vous avancez est d'une pureté intermédiaire...

Je ne sais pas exactement, on trouve en ligne Deuterium Oxide 99.9% ~780$ le flacon de 1kg

[Paraboloide_Hyperbolique]

Je n'ai jamais entendu parler de ça et je n'ai pas croisé un seul groupe de travail ni chercheur qui ait évoqué ce problème. Et pourtant, des problématiques, j'en ai vu pas mal

Après lors d'une fusion entretenue, il est possible que ce qui a été négligé jusqu'à maintenant devienne un problème. Mais au pif comme ça je n'y crois pas trop à celui là.

Bonjour obi76,

Je pense que Kiraxel fait référence au phénomène du "quench" (j'ignore le terme en français) où, pour une raison quelconque (défaut électrique, défaut de structure...), une portion de matériaux supraconducteur se réchauffe et dépasse sa température critique. Par effet joule (le matériaux n'étant plus supraconducteur) celui-ci cause l'échauffement des matériaux supra dans son voisinage qui à leur tour dépassent la température critique. De proche en proche, cela a pour effet de rapidement mettre hors-service un aimant supraconducteur (temporairement ou définitivement).

Par contre, je n'ai jamais entendu parlé d'un flux de neutrons qui aurait provoqué un quench.
Il faut dire aussi, que ce phénomène est connu et techniquement maîtrisé au cas où il se produit (coupure automatique du courant).

https://en.wikipedia.org/wiki/Superc...#Magnet_quench
https://www.youtube.com/watch?v=9SOUJP5dFEg

[obi76]

Bonjour obi76,

Je pense que Kiraxel fait référence au phénomène du "quench" (j'ignore le terme en français) où, pour une raison quelconque (défaut électrique, défaut de structure...), une portion de matériaux supraconducteur se réchauffe et dépasse sa température critique. Par effet joule (le matériaux n'étant plus supraconducteur) celui-ci cause l'échauffement des matériaux supra dans son voisinage qui à leur tour dépassent la température critique. De proche en proche, cela a pour effet de rapidement mettre hors-service un aimant supraconducteur (temporairement ou définitivement).

Par contre, je n'ai jamais entendu parlé d'un flux de neutrons qui aurait provoqué un quench.
Il faut dire aussi, que ce phénomène est connu et techniquement maîtrisé au cas où il se produit (coupure automatique du courant).

https://en.wikipedia.org/wiki/Superc...#Magnet_quench
https://www.youtube.com/watch?v=9SOUJP5dFEg

Le coup du dépassement de la température critique à cause du flux de neutron a largement déjà été étudiée, et pour le moment les conclusions sont clairement qu'il ne sagit pas d'un problème [pour le moment]. Quant au dépassement pour une autre raison, ça n'a jamais été observé (et encore heureux, vu le prix d'une poloidale...).

[_Goel_]

Ce n'est pas la dessus qu'on bloque. On bloque - entre autres - sur la stabilité du plasma, et sur la diffusion préférentielle qui doit éjecter les produits de fission du cœur tout en entraînant le combustible vers lui.

Bonjour ,

Question : au niveau de la diffusion préférentielle : est-elle possible/envisagée dans un stellarator ? (genre W7-X)

[obi76]

Bonjour ,

Question : au niveau de la diffusion préférentielle : est-elle possible/envisagée dans un stellarator ? (genre W7-X)

Dans un stellarator aucune idée, mais dans les Tokamaks c'est encore sujet d'étude (pas simple). Mais visiblement ils étaient confiants sur ce point...

En tous cas la phénoménologie sera complètement différente d'après moi. Les simulations montrent une barrière au niveau du coeur dans un plasma de tokamak, dans un stellarator à ma connaissance aucune simulation de cette précision n'a pu etre faite et donc a pu mettre en apparence ce phénomène. Et les simplifications pour la simulation dans un tokamak ne sont pas valables pour un stellarator. Donc : est-ce u'il y a eu des simus de faites pour un stellarator ? Montrent-elles des phénomènes semblables à ceux observés dans les tokamaks ? Là je ne peux pas vous répondre, mais personnellement j'en doute.