Fusion nucléaire par confinement magnétique

[invite93c38458]

Bonjour à tous,

En vue d'un exposé, je dois présenter les tokamaks! Il y a peu, en surfant sur internet, j'étais tombé sur des chiffres intéressants concernant la fusion, mais je n'arrive plus à remettre la main dessus !

L'article expliquait que la quantité d'énergie que l'on pouvait produire était la même avec 5,5g d'hydrogène qu'avec x grammes d'uranium pour la fission, y kg/tonnes de pétroles, z m^3 d'eau (hydroélectricité)

Si vous avez des ordres de grandeurs, merci de me les signaler!
Cordialement
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[invite8624612]

cassez vous pas la tête, ils ne fonctionnera jamais.
on trouve sur le net un article d'un physicien qui explique pourquoi.
et c'est pas bien difficile à comprendre quand on comprend le fonctionnement.
cela tient justement au confinement magnétique instable qui résulte.

je retrouve plus l'article.

[invitecaafce96]

Bonjour,
C'est bien d'enterrer en 3 lignes la fusion contrôlée ...Passons ;
Fission 1 g Uranium 235 : 1MW jour égal combustion 2 tonnes pétrole .
Fusion de 250 kg de Deutérium-Tritium : 1000 MW jour .

[Geb]

Bonjour,

L'article expliquait que la quantité d'énergie que l'on pouvait produire était la même avec 5,5g d'hydrogène qu'avec x grammes d'uranium pour la fission, y kg/tonnes de pétroles, z m^3 d'eau (hydroélectricité)

Si vous avez des ordres de grandeurs, merci de me les signaler!

Facile ! Il suffit de le calculer !

Lors d'une réaction nucléaire, une partie de la masse des noyaux atomiques est "convertie" directement en énergie, selon la célèbre relation masse-énergie établie en 1905 par Albert Einstein. Cela se traduit par ce qu'on appelle un "défaut de masse" que l'on peut calculer en pesant les réactifs et les produits d'une réaction nucléaire. C'est un calcul du niveau de première ! Autrement dit, c'est dans tes cordes

Par exemple, calculons le défaut de masse de la réaction nucléaire la plus couramment citée comme étant la plus facile à mettre en œuvre dans un tokamak :

D + T = He4 + n

Autrement dit, il s'agit d'un noyau de deutérium (un isotope de l'hydrogène) qu'on "fusionne" avec un noyau de tritium (un autre isotope de l'hydrogène).

Le deutérium "pèse" ~2,01410 grammes par mole tandis que le tritium pèse ~3,01605 grammes par mole. Quant aux produits de cette réaction de fusion nucléaire, l'hélium 4 "pèse" ~4,00260 grammes par mole et le neutron ~1,00866 gramme par mole.

Le bilan est le suivant : masse des produits – masse des réactifs = défaut de masse soit,

(2,01410 + 3,01605) – (4,00260 + 1,00866) = 5,03015 – 5,01126 = –0,01889 gramme, transformé en énergie

Ensuite, on utilise la célèbre formule E = mc² pour estimer l'énergie que cela représente. D'abord, il convient de rappeler que dans cette formule, l'énergie (E) est exprimée en joule, la masse (m) est exprimée en kg et la vitesse de la lumière (ou célérité, notée c) en mètre par seconde (m/s). En définitive, on a :

0,00001889 x 299792458² = 1 697 748 532 633,84852196 Joules ou approximativement 1,7 x 10¹² Joules.

En réalité, le défaut de masse a été calculé de manière plus précise, mesuré en électron-volt (noté eV). Pour la réaction du deutérium avec le tritium, le défaut de masse est de 17,59 millions d'électrons-volts (MeV) par réaction de fusion. Il est important de noter qu'il s'agit d'une moyenne.

Pour faire simple, un électron-volt correspond à la valeur énergétique de la charge dite élémentaire, c'est-à-dire : ~1,602176 x 10^-19 Joule

Pour calculer l'énergie libérée en tenant compte de la mole, il faut multiplier par la constante d'Avogadro, estimée à ~6,02214 x 10²³ par mole. Pour rappel, il s'agit du nombre de molécules (ou d'atomes) contenus dans une mole de substance. Donc, la fusion de ~5,03 grammes d'hydrogène correspond à :

17590000 x (1,602176 x 10^-19) x (6,02214 x 10²³) = 1,6971761 x 10¹⁷ Joules,

Soit sans surprise, une valeur très proche de celle que nous avons calculée grossièrement auparavant.

Je peux déjà te dire qu'en brûlant une quantité déterminée de pétrole raffiné dans une bombe calorimétrique, on a estimé l'énergie libérée par la combustion d'un kilogramme de pétrole à 41,855 millions de joules (noté MJ), qu'on arrondi généralement (par commodité) à 42 MJ.

En reprenant le calcul suivant :

~1,7 x 10¹² ÷ 4,2 x 10⁷ = 40476 kg environ

Donc, la fusion de ~5,03 grammes d'hydrogène fournit autant d'énergie que la combustion de ~40,5 tonnes de pétrole raffiné.

Pour comparer avec l'énergie de fission nucléaire de l'isotope 235 (isotope dite fissile) de l'uranium, on fait exactement le même calcul de défaut de masse que celui expliqué plus haut. La valeur plus précise est de ~202,5 MeV par réaction en moyenne.

Les réactifs sont un neutron et un noyau d'uranium 235. Cela dit, comme il s'agit d'une réaction en chaîne, on ne tiendra compte ici que de la masse d'une mole d'uranium 235, de ~235,04393 grammes par mole.

Pour reprendre l'analogie précédente, la fission de ~235, 04 grammes d'uranium équivaut à :

(202,5 x 10⁶) x (1,602176 x 10^-19) x (6,02214 x 10²³) = ~1,954 x 10¹³ Joules

Soit autant que l'énergie libérée par la combustion de ~465197 tonnes de pétrole.

En définitive (si mes calculs sont exacts ), la fusion de 5,03 grammes d'hydrogène correspond à l'énergie dégagée par la fission de ~20,42 grammes d'uranium ou à ~40,5 tonnes de pétrole raffiné.

En pratique, il faut tenir compte du fait que l'énergie des produits ne peut pas être récupéré de la même manière et avec la même intensité. Sans oublier que dans une tonne des barres d'uranium d'un réacteur, il n'y a généralement que 40,3 kg d'uranium "fissile". Fais-le-moi savoir si tu veux entrer dans ces détails.

Cordialement.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite93c38458]

Eh bien merci à tous, Geb, je n'en attendais pas tant, mais merci beaucoup de la "peine" que vous vous êtes donné! Je trouve ces données interessantes pour évoquer l'interet de la recherche en ce qui concerne la fusion par confinement magnétique. Si elles ne sont pas précises, ce n'est pas très important, il faut que ça marque les esprit, voilà tout ^^

Quant à Casiope, je n'ai pas la prétention de comprendre les travaux de confinement magnétique des tokamaks. Mais s'il n'y avait pas la moindre chance que cela aboutisse, pourquoi tant de moyens seraient ils engagés ? Ce n'est peut être pas un argument très convaincant mais tout de même

[obi76]

cassez vous pas la tête, ils ne fonctionnera jamais.
on trouve sur le net un article d'un physicien qui explique pourquoi.
et c'est pas bien difficile à comprendre quand on comprend le fonctionnement.
cela tient justement au confinement magnétique instable qui résulte.

je retrouve plus l'article.

Un poil péremptoire. Merci de nous expliquer ce que vous en pensez avant de parler pour les autres. Vous avez des arguments ? (et c'est reparti...)

[Enthalpy]

Tous les réacteurs à fusion D-T ou deutérium-tritium (or un tokamak ne sait faire que cela) ont un gros souci de plus, jusqu'ici occulté : leur fonctionnement serait aussi polluant que la fission de l'uranium.

• Il n'y a pas de tritium dans la Nature en quantité significative, notamment pas dans l'Océan ;
• Les réacteurs à uranium le produisent actuellement en arrosant du lithium par leurs neutrons, mais l'uranium produit 200MeV pour moins d'un neutron disponible pour créer un tritium, dont la consommation produit 20MeV dans un tokamak ; il faudrait construire >10 centrales à uranium pour un tokamak, ce qui est moins intéressant que 11 centrales à uranium ;
• Le tokamak doit donc régénérer son tritium. Y consommer un tritium produit un seul neutron nécessaire à créer un tritium, or il y a des pertes. La seule solution qui semble avoir une petite chance est de multiplier les neutrons par spallation du plomb :
  http://www.nuklearforum.ch/_upl/file...n_Poitevin.pdf
• Or la spallation du plomb produit des déchets d'une activité similaire à la fission de l'uranium.

Quelques sources de données :
http://www.matpack.de/Info/Nuclear/Nuclids/P/Pb.html (infos sur les nuclides)
http://kups.ub.uni-koeln.de/420/1/11v4360.pdf (thèse sur la spallation)

Pb comporte 1,4% d'isotope 204. À 14MeV, le processus de doublement (n,2n) est efficace (2,1b sur 5,3b) et produit ²⁰³Pb, qui décroît en 2,2 jours par capture électronique de 0,97MeV et émet des gammas.

Pb comporte 24% d'isotope 206. À 14MeV, il peut (0,7mb sur 5,3b) émettre un alpha et produire ²⁰³Hg, qui décroît en 47 jours par émission béta accompagnée d'un gamma de 0,28MeV.

Si on compare avec les déchets de la fission de l'uranium :
²³⁵U produit ¹³¹I dans 2,8% et ¹³⁷Cs dans 6,1% des fissions;
Mais un ²³⁵U produit 200MeV : il faut 8 fusions D-T pour en faire autant.

On trouve autant de ²⁰³Pb que de ¹³¹I à puissance identique.

Pourrait-on ôter les isotopes 204 et 206 du plomb? Non, il en restera des traces gênantes ; et un calcul par logiciel trouverait d'autres déchets, peut-être ²⁰⁴Tl, surtout en tenant compte que les neutrons se thermalisent.

Si c'est pour avoir un réacteur aussi polluant, je préférerais que les nombreux et brillants physiciens d'ITER utilisent leur temps à développer des solutions plus utiles.

Marc Schaefer, aka Enthalpy

[KLOUG]

Bonjour
Je dois être un peu fatigué mais a priori il n'est pas question d'utiliser des éléments lourds (même pour les structures) sur ITER.
Si vous avez des éléments à développer sur le sujet, n'hésitez pas.
Je vérifierai auprès de camarades qui travaillent sur le sujet.
KLOUG

[obi76]

Bonjour,

autant aller chercher directement chez les intéressés :

La réaction de fusion deutérium-tritium (D-T) libère des neutrons à haute énergie ainsi que des atomes d'hélium. Tandis que le plasma demeure confiné par les champs magnétiques du tokamak, les neutrons, qui sont électriquement neutre, s'échappent et sont absorbées par les « modules de couverture » qui tapissent la paroi. La présence de lithium dans ces modules de couverture déclenche la réaction suivante: le neutron incident est absorbé par l'atome de lithium, lequel se recombine alors en un atome de tritium et un atome d'hélium. On peut ensuite extraire le tritium de la couverture, le recycler dans le plasma et le rendre à sa fonction de combustible.

On appelle « couvertures tritigènes » les couvertures qui contiennent du lithium. La réaction de fusion permet ainsi de produire du tritium de manière continue. Une fois la réaction de fusion amorcée dans le tokamak ITER, il suffira pour l'entretenir de l'alimenter en deutérium et en lithium, deux éléments disponibles en abondance.

L'approvisionnement en deutérium, en effet, peut être assuré par l'industrie et le lithium est présent en abondance dans la croûte terrestre. Si la fusion devait à elle seule assurer l'approvisionnement en électricité de l'ensemble de la planète, les réserves connues de lithium y pourvoiraient pendant au moins mille ans.

Pour générer elles-mêmes la totalité du tritium dont elles auront besoin, les centrales de fusion de demain devront produire de grandes quantités d'énergie. ITER expérimentera ce concept fondamental d'autosuffisance en tritium.

source : http://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels

Il n'est pas question de plomb.

Bonne journée.

[Enthalpy]

Un eutectique plomb-lithium dans des couvertures expérimentales destinées à tester la régénération du lithium.
Depuis mes premières remarques faites ailleurs, l'ancienne description a disparu de la Toile, mais en voici une de mars 2011 :
http://www.iter-industry.ch/wp-conte...n_Poitevin.pdf

Cette nouvelle édition ajoute le béryllium comme multiplicateur potentiel de neutrons, alors que l'ancienne édition l'écartait car n'atteignant pas la régénération. Tant mieux... À condition qu'il y ait assez de béryllium sur Terre ! Il est 10 fois moins abondant que le lithium dans l'écorce terrestre et rare dans l'Océan, alors que la disponibilité du lithium est un peu marginale si on veut créer ainsi l'électricité de l'Humanité.

Si tu as d'autres idées, ce serait utile ! J'avais regardé ¹⁸O qui triplerait les neutrons et peut se séparer de l'eau, mais il faut lui apporter 12MeV alors que les neutrons produits par D-T n'ont que 14MeV. Au doubleur ¹³C, il faut aussi apporter 5MeV, et ¹⁵N semble pire : moins intéressants que ⁹Be qui n'atteint qu'une régénération de 1,15 - et sur le papier seulement, donc avant les contraintes de conception qu'ajoute un tokamak.

[Enthalpy]

La prose citée :
http://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels
ne répond pas au problème du nombre de neutrons que j'explique dans mon message du 1er septembre
Ou plutôt : elle escamote ce problème.

Bonne journée aussi.

[obi76]

Re,

si, puisqu'il est explicitement dit que le revêtement est en lithium, pas en alliage lithium + plomb. Ce n'est pas parce qu'on fait des tests d'un alliage que ce sera cet alliage qui sera utilisé. C'est un peu un raccourci ça non ?

[Enthalpy]

La prose citée :
http://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels
suggère faussement que le lithium suffit, et ce raccourci leur simplifie bien la vie...

Le lithium ne suffit pas à cause du nombre de neutrons disponibles. Il faut en outre un multiplicateur de neutrons, tel que je l'explique dans mon message du 1er septembre, et telles que sont décrites les couvertures de régénération par le responsable de projet, dans le Pdf que j'indique.

Le plomb était le seul multiplicateur retenu dans la première version du document sur les couvertures, qui écartait le béryllium. La version courante remet le béryllium sans bien expliquer pourquoi il irait maintenant, ni où trouver la quantité de béryllium pour produire l'électricité de l'Humanité.

[obi76]

http://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels
suggère faussement que le lithium suffit, et ce raccourci leur simplifie bien la vie...

OK, je vous organise une conf et vous venez expliquer ça ? Pourquoi ne leur envoyez vous pas un mail pour leur dire qu'ils mentent ?

[Enthalpy]

C'est expliqué plus haut, merci de lire les messages précédents.
En outre, la prose d'ITER dit "contient" du lithium, que vous avez transformé en "est" en lithium.

Nul besoin d'expliquer cela aux spécialistes d'ITER, puisque les couvertures préparées pour les expériences comportent déjà du plomb ou du béryllium.

J'ai déjà cité le document.

Bonne journée.

[obi76]

C'est expliqué plus haut, merci de lire les messages précédents.
En outre, la prose d'ITER dit "contient" du lithium, que vous avez transformé en "est" en lithium.

Je répondrai à ça demain.

Nul besoin d'expliquer cela aux spécialistes d'ITER, puisque les couvertures préparées pour les expériences comportent déjà du plomb ou du béryllium.

Ce sont pourtant eux les premiers concernés, non ? Facile de continuellement cracher sur le dos de certaines personne et de ne pas vouloir avoir à se justifier devant elles.

[Enthalpy]

Le document d'ITER pour le public dit seulement "contient du lithium" alors que le Pdf pour les professionnels décrivant les couvertures tritigènes mentionne bien sûr les multiplicateurs de neutrons : plomb ou béryllium.

Mes explications (simple comptabilité de neutrons) sont ici en première page, dans le message numéro 7 :
http://forums.futura-sciences.com/ph...ml#post4159437
et la description des couvertures titrigènes est dans le Pdf déjà cité du responsable de projet :
http://www.iter-industry.ch/wp-conte...n_Poitevin.pdf

[obi76]

Relisez mon message #16.

PS : critiquez, critiquez, mais comme d'habitude, avez-vous une solution à apporter ?

[invité6735487]

MOUAAAAH J'AIIII UUUnEEEE SOOOOLLLUCCE !

mais je vous dirais pas quoi !

[obi76]

MOUAAAAH J'AIIII UUUnEEEE SOOOOLLLUCCE !

mais je vous dirais pas quoi !

C'est à peu près l'impression que ça me fait toutes ces interventions "anti ITER". Cela dit, pour une fois que c'est argumenté un minimum, je répondrai demain, le temps de me renseigner.

[Enthalpy]

ITER m'aurait bien plu, mais la pollution est un problème, décrit ici dans le message numéro 7 :
http://forums.futura-sciences.com/ph...ml#post4159437
et je n'ai pas de solution, donc je décris seulement le problème.

[invited9422e7e]

Salut,
j'aurais juste une question à Geb.
Comment avez-vous trouver 5,03 grammes d'hydrogène dans votre calcul. J'ai lu (wikipédia) qu'il y a 6000 atomes d'hydrogène pour un atome de deutérium.
Je n'ai peut-être pas compris votre calcul.....

[PSR B1919+21]

ITER m'aurait bien plu, mais la pollution est un problème, décrit ici dans le message numéro 7 :
http://forums.futura-sciences.com/ph...ml#post4159437
et je n'ai pas de solution, donc je décris seulement le problème.

Bonsoir,
j'ai un peu de difficulté a bien comprendre le discours. En effet on parle de spallation sur le plomb or ce type de réaction est plutôt favorable avec des énergies très importantes (typiquement des neutrons produits par des protons de 1 GeV) et là on est en présence de neutrons de 14 MeV, mais soit ...
De plus on parle de problème de production de radionucléides dû à cette "spallation". Or les produit de spallation sur le plomb sont de courtes périodes comparativement à un réacteur à fission notamment à cause des transuraniens : je ne comprends plus très bien,

[Deedee81]

Bonjour,

Qu'un réacteur (thermo) nucléaire produise des éléments radioactifs n'a rien de si surprenant. J'ai déjà lu des documents là dessus (ça n'a rien d'occulté). En outre les chiffres cités dans le message 7 n'ont rien d'effrayant par rapport à ce qui sort d'un réacteur conventionnel. Dont une des pires saloperies : le plutonium. EDIT je n'avais pas fait attention, mais je constate que PSTB1919+21 fait des remarques qui vont dans le même sens : la courte durée de vie de ce type de déchet.

Ceci dit, autant éviter ces déchets autant que faire ce peu, bien sûr. Faudra gérer leur stockage (même si c'est à court terme) et c'est couteux et dangereux.

Qu'on soit pour ou contre ce genre de filière pour diverses raisons est un tout autre sujet.

Et je sais que le thermonucléaire c'est chaud, mais restons calme et courtois, merci,

[Enthalpy]

Bonjour,

"Occulté" serait un mot trop fort. Les documents sur la radioactivité induite par les réacteurs à fusion existent bien. Mais l'immense majorité du public, même avec une formation scientifique supérieure, imagine que la fusion D-T produit seulement de l'hélium, parce que la presse générale et beaucoup de plaquettes de semi-vulgarisation de disent.

Il est donc utile de préciser ce point, tout comme il a fallu préciser qu'on trouve seulement le deutérium dans l'Océan à l'époque où presque tout le monde prétendait y trouver le tritium.

La pollution par la spallation du plomb est effrayante dans l'absolu, même si elle n'est pas pire que les produits de fission d'un réacteur à uranium. Une pollution accidentelle au ²⁰³Pb aussi intense qu'au ¹³¹I est une catastrophe. Parmi les nombreux déchets inaccessibles à mon estimation manuelle, il y en aura bien (²⁰⁴Tl ?) pour créer une pollution durant une vie humaine, même si éviter le plutonium est un progrès objectif.

[Deedee81]

Salut,

D'accord. Tu parles là d'une meilleure diffusion de l'information / pédagogie au niveau du grand public. Je suis d'accord avec toi. Il y a clairement un manque d'information (et pas seulement sur ce point... qui dans le grand public connait ITER ? Et pas seulement sur ITER).

[Enthalpy]

Re,

les ressources mondiales en béryllium (gisements exploitables hors contraintes économiques présentes) sont, selon les mineurs de l'Usgs plutôt que le chimiste cité par Wiki, de 80 000 t.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pu...2012-beryl.pdf (p29)

Selon l'AIEA, les consommations annuelles mondiales d'énergie étaient en 2008 de :
http://www.iea.org/textbase/nppdf/fr...ergy_stats.pdf (p24 et p6)
- 15 PWh = 54 EJ pour l'électricité consommant des hydrocarbures (dont charbon) ou de l'uranium ;
- 10 Gtep pour les hydrocarbures (dont charbon) et l'uranium, soit 440 EJ remplaçables par 300 EJé d'électricité.

1 mole de 9g de béryllium produit à la louche 1,4 mole de tritium dont chaque atome libère 25MeV de chaleur convertie à 35% en électricité, soit 130 TJé/kg de Be.

Si on continue à consommer par ailleurs 270 t/an de béryllium, les ressources suffisent pour :
- 120 ans d'électricité, à 270 + 410 t/an. C'est moins que le charbon ;
- 31 ans de substitut aux hydrocarbures, à 270 + 2300 t/an.

Avec le béryllium comme multiplicateur de neutrons, on serait hors des promesses d'ITER. Même s'il ne devait produire que l'électricité actuelle, sa recherche et développement aurait été aussi longue que son exploitation.

Sauf si quelqu'un voit un meilleur multiplicateur de neutrons (pas Th ni U ni Pu, merci), il ne reste que la famille de Pb et ses déchets radio-actifs.

Bonne journée quand même !
Marc Schaefer, aka Enthalpy

[Deedee81]

Salut,

C'est fou ce que depuis une dizaine d'année on constate comme risque de pénurie dans divers éléments utilisés (terres rares, hélium,... et certains éléments fabriqués dans des réacteurs spéciaux et utilisés en médecine)

Voilà bien quelque chose auquel on ne réfléchit que lorsqu'on tombe à court. C'est pas très malin.

Bonne journée quand même !

Tu as travaillé à la RTBF ? (expression favorite d'un ancien animateur très apprécié de Question à la Une)

[Enthalpy]

Re⁷,

J'ai regardé quels nuclides légers naturels pourraient multiplier les neutrons à la place du béryllium trop rare, juste d'après leur masse atomique, et ce n'est pas brillant.

Pour comparer, ⁹Be donnant deux alphas et un neutron nécessite d'apporter 1,6MeV ; il est peu efficace.
Ou ⁷Li donnant ⁶Li et un neutron requiert 7,3MeV ; il est inutilisable.

Parmi les autres, ¹³C (1,1% sur Terre) nécessite 4,9MeV et ¹⁷O (0,04% sur Terre !) requiert 4,2MeV - donc leur efficacité est très douteuse. ¹⁸O est pire. Au moins, ¹²C n'absorberait pas les neutrons destinés au lithium.

Tous les autres (²¹Ne, ²⁵Mg...) nécessitent quelques 7MeV voire plus, alors que le neutron de fusion apporte 14MeV seulement. Ce n'est pas vraiment pire que le plomb, mais ce dernier offre au moins une grande section efficace.

Un éclatement en neutron et alphas ou carbones ne semble pas plus favorable que la réaction (n, 2n).

Même le déchet de fission ⁹⁰Sr, pourtant trop riche en neutrons et radioactif, nécessite 14,3MeV.

Marc Schaefer, aka Enthalpy

[obi76]

Bon, le problème est le suivant. Puisque ITER sera une machine d'étude (je ne vous apprend rien), la surface du mur sera en grande partie remplie d'ouvertures pour des sondes, antennes etc. Puisque la surface "bombardée" sera assez "faible", le multiplicateur de neutron est indispensable. Mais rien ne dit que ce devra être le cas dans DEMO (un multiplicateur de neutron serai même inutile).