Bonjour,
j'ai lu que la fusion entre deutérium et tritium dans l'ITER se produirait à une température de 150 millions de degrés celsius. Il en est de 15 millions dans le soleil. Pourquoi cette différence ? Est-ce une question de pression ? d'élément chimique ?
Merci d'avance.
Mathieu
Bonjour,
Ce n'est pas la même réaction de fusion ; Le Soleil brûle son Hydrogène : 4p --> He - Et Iter : D + T --> He .
Ce n'est pas le même mode de confinement ; Soleil : inertiel dû à la gravité qui aide bien - Et Iter : artificiel , magnétique .
Donc, densité du plasma solaire : 150 g/cm3 et densité du plasma Iter : 10^-5 fois celle de l'air .
C'est cette différence de pression qui change totalement les conditions d'ignition et d'auto-entretient des réactions de fusion .
La réaction proton - proton (aka chaîne p-p) est certainement la réaction de fusion la plus commune de l'Univers, elle est à l'oeuvre dans toutes les étoiles qui combustent de l'hydrogène. Par une curieuse ironie du sort, elle est absolument inutilisable pour produire de l'énergie sur Terre.Envoyé par mathieu8094
La raison en est que ce n'est pas une "vraie" réaction de fusion, en fait. Une fusion "normale" ça se passe quand tu rapproches deux noyaux de disons, moins de 1 fermi (1e-15 m), que l'interaction forte, comme un velcro surpuissant peut alors les retenir de ses petits bras musclés (très musclés mais très courts) ET que l'édifice ainsi formé est plus stable que l'état de départ, en additionnant l'interaction forte et la répulsion coulombienne. Or tu peux rapprocher deux protons aussi près que tu veux, il ne se passera rien. La réaction n'a donc jamais été observée en labo... Un noyau pp, ça n'est pas stable. Trop de charges positives : faut des neutrons pour que ça colle.
Sauf si tu as la patience d'attendre, boualé... une 'tite dizaine de milliards d'années. Le temps qu'un des deux protons (Après vous, mon cher - Je n'en ferais rien - Vous m'obligeriez - C'est fort urbain, mais non - Je vous en pris - Vous d'abord...) ait la bonne idée de subir une "décroissance bêta +" pour se transformer en neutron, en éjectant un positon (e+) et un neutrino électronique v_e (pour équilibrer la charge "d'antiélectronicité" de e+) et ce, au moment même de la rencontre. Or ce phénomène, purement stochastique, résulte d'un "courant chargé" (interaction faible) c'est à dire de l'émission par effet tunnel d'un boson W+. Un quark u du noyau se change en quark d ce qui transforme le proton en neutron. Le boson W+ étant un gros pépère (81 GeV) il se propage peu et voila ce qui rend les protons si polis.
+1,44 MeV dans lesquels on compte l’annihilation des positons et auquel on retranche 0,26 MeV en moyenne, emporté par le neutrino, pour qui l'étoile est transparente.
pn représente un deuton D, ou noyau de deutérium.
En fait cette réaction en contient deux : soit un proton se désintègre par émission bêta à proximité d'un autre proton pour former un état lié, le deuton, un positon et un neutrino. C'est la réaction de base. Soit, mais beaucoup plus rarement (0,4% des cas) les deux protons fusionnent en absorbant un électron soit une réaction à 3 corps "la chaine p-e-p" aboutissant elle aussi à la production d'un deuton et d'un neutrino, sans émission de positon cette fois.
Bon, quoiqu'il en soit, il se forme un deuton D et les choses s’enchaînent ensuite rapidement. Avec une demi-vie de 6 secondes le deuton absorbe un proton et forme du He3
p + pn ->ppn + \gamma(+ 5,49 MeV)
gamma représente un photon gamma
ppn représente un noyau d'Hélium-3
Puis, à leur rythme (900 000 ans) deux Hélium-3 vont fusionner pour produire de l'Hélium-4 :
He3 + He3 -> He4 + 2 p (+12,86 MeV)
, dans 85% des cas.
Ou réagissent avec de l'He4, dans 15% des cas, pour produire du Béryllium-7.
A celui ci il arrive bien des misères : il se désexcite en Lithium-7 par capture électronique et le Lithium-7, absorbant un proton, forme de l'Hélium-4 ou, très rarement (0,02% des cas) le Béryllium-7 absorbe un proton pour former du Bore-8 qui lui même se désintègre en deux Hélium-4, ouf.
Soit au total:
4p -> He4 + 2 photons + 2 e+ + 2v + 26,72 MeV - 0,52 MeV (ce qu'emportent les deux neutrinos)
Grâce à la course à la lenteur qui initie la chaîne, les étoiles vivent a peu près ce que vivent les protons. Si la masse de W était seulement 10 fois plus faible, le Soleil aurait disparu avant l'apparition des mammifères : on va pas s'en plaindre, mais du coup l'atome le plus courant de l'Univers est proprement inutilisable comme combustible.
Voilà pourquoi on doit utiliser de "vraies" réaction de fusion, sans décroissance bêta : on chauffe les noyau assez fort pour qu'ils franchissent la barrière coulombienne, et finissent par se lier. Et là on regarde la plus facile, c'est à dire celle qui bénéficie de la meilleure section efficace. Cette section efficace se mesure en fonction de la densité et de la température.
Sur le graph, on voit que D+T l'emporte haut la main.
On a :
pn + pnn -> ppnn (3,52 MeV) + n (14,1 MeV)
ppnn est le noyau d'Hélium-4
A l'optimum, T=13,6 keV (soit 150 MK) elle est maximale et de :
<σv>/T² =1,24.10-24 [m3/s/keV²]
150 MK contre 15 MK : a première vu la réaction DT peut sembler plus 10 fois plus poussive que pp, alors qu'elle est extrêmement plus aisée.
Parcours Etranges
Merci beaucoup pour vos réponses très complète, en particulier Gilgamesh ! Ok, du coup, lorsque l'électron est éjecté lors de la fusion deutérium-tritium, il se désintègre en 15 minutes sous forme de chaleur, est ce bien cela ? Comment récupère t-on cette énergie sous forme d'électricité ?
Mathieu
Bonsoir,
A terre, la réaction de fusion utilisée est : D + T ---> He + n ( neutron )
Le bilan de cette réaction produit environ 17.6 MeV qui se partagent entre la particule He ( alpha ) pour 3.5 MeV et 14.1 MeV pour le neutron ;
L'alpha est piégé dans le plasma et ne sort pas : il participe à l'auto-entretien du plasma . Le neutron, particule non chargé , sort du plasma et va perdre son énergie cinétique
dans les plus proches parois de la chambre à vide . Il faut récupérer la chaleur de façon classique en refroidissant la (les) paroi(s) .
Merci !
Nous sommes actuellement 2 à bosser dessus pour un compte rendu, et nous ne regrettons pas d'avoir choisi ce sujet, il est passionnant ! Nous aimerions savoir si nous avons bien comprit la "chose", pourriez-vous nous corriger si ce que nous disons est faux ?
Pour résumer la chronologie de la fusion :
Il est nécessaire de faire chuter la pression interne à un niveau équivalent au millionième de la pression atmosphérique normale de manière à éliminer toutes les sources de molécules organiques dont la présence est susceptible de dégrader le plasma. Par la suite on active les champs magnétiques pour éloigner la matière des parois. On chauffe le plasma par des variations de champs magnétique, des injections de neutres, et des émissions d'onde électromagnétique à haute fréquence, pour monter à une température de 150 million de degrés.
La réaction de fusion entre le deutérium et le tritium commence en produisant de l'hélium plus un neutron qui est éjectée avec une grande vitesse et frappe les couvertures tritigènes libérant l'énergie cinétique du neutron sous forme de chaleur, puis produisant encore de l'énergie par la réaction de fission entre le lithium et le neutron, redonnant du tritium ainsi que de l'hélium. Le tritium étant chargé se retrouve au centre de la chambre à vide grâce aux champs magnétique et est prêt pour une nouvelle réaction.
"C'est dans ce stock qu'ITER puisera pendant de sa phase d'exploitation" (en parlant du tritium). "Pour répondre aux besoins des futures centrales de fusion industrielles, il sera essentiel de pouvoir produire du tritium à partir de la réaction de fusion." http://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels
Néanmoins la réactionPièce jointe 266140 est dite réaction de fission dans cette vidéo :https://www.youtube.com/watch?v=nysI2vu2Mkk à 21 minutes 40. Ce qui nous fait 2 réactions nucléaires. Ainsi le tritium est générée par le réacteur et ramené au centre par le champ magnétique avant de rentamer une nouvelle fusion. Comment le deutérium nécessaire pour réalimenter cette réaction est il réinjecté dans la chambre à vide ?
Nous mettons la chambre à vide à une pression très basse pour éviter toute substance qui pourrait dégrader le plasma, mais que devient l'hélium produit par les réactions ?
Par ailleurs les variations des champs magnétiques sont elles nécessaires uniquement pour augmenter par induction la température du plasma ?
Le neutron éjecté s'arrête t il sur la surface des couvertures tritigènes ou peut il aller plus en profondeur ?
Mathieu
Ca me semble correct.
"C'est dans ce stock qu'ITER puisera pendant de sa phase d'exploitation" (en parlant du tritium). "Pour répondre aux besoins des futures centrales de fusion industrielles, il sera essentiel de pouvoir produire du tritium à partir de la réaction de fusion." http://www.iter.org/fr/sci/fusionfuels
Néanmoins la réactionPièce jointe 266140 est dite réaction de fission dans cette vidéo :https://www.youtube.com/watch?v=nysI2vu2Mkk à 21 minutes 40. Ce qui nous fait 2 réactions nucléaires. Ainsi le tritium est générée par le réacteur et ramené au centre par le champ magnétique avant de rentamer une nouvelle fusion. Comment le deutérium nécessaire pour réalimenter cette réaction est il réinjecté dans la chambre à vide ?
C'est indiqué ici :
Le cycle du combustible
Dans le cadre du programme ITER, de puissantes pompes ont été développées pour injecter les combustibles de fusion gazeux dans la chambre à vide. Avec un débit moyen de 200 Pa m3/s et des pointes à 400 Pa m3/s, la puissance des systèmes d'injection développés pour ITER sera quasiment dix fois supérieure à celle des tokamaks existants.
ITER sera également équipé d'un deuxième système d'alimentation en combustible appelé injecteur de glaçons, que l'on peut comparer à une machine à glace extrêmement sophistiquée. Une extrudeuse produit des glaçons d'une taille de plusieurs millimètres, formés d'un mélange de deutérium-tritium, qu'un injecteur pneumatique projette dans le cœur même du plasma. Les glaçons sont injectés au travers d'un tube de guidage situé dans la paroi interne de la chambre à vide et d'un autre tube de guidage permettant l'injection depuis la paroi externe.
L'injection de glaçons est le principal outil de contrôle de la densité du plasma. Elle permet également de maîtriser de manière efficace les ELMs (Edge Localized Modes), ces « éruptions » hautement énergétiques qui se produisent à la périphérie du plasma, échappent au champ magnétique et dissipent ainsi une partie de son énergie. L'injection de glaçons a largement démontré son efficacité dans la gestion des ELMs. Une technologie très novatrice, capable d'injecter ces glaçons selon des trajectoires courbes de manière à atteindre les zones du plasma où les ELM se révèlent particulièrement perturbateurs, est en cours de développement.
La chambre à vide ne contient jamais plus d'un gramme de combustible de fusion. Le divertor, situé sur le plancher de la chambre à vide, permet de recycler le combustible qui n'a pas été consommé: le combustible non brûlé est dirigé vers le divertor, d'où il est extrait par pompage puis séparé de l'hélium produit pendant la réaction de fusion, mélangé avec du tritium et du deutérium « frais » et réinjecté enfin dans la chambre à vide.
L'hélium de la réaction et la chaleur sont recueillis en bas de la chambre par une "goulotte" le diverteur (divertor)Nous mettons la chambre à vide à une pression très basse pour éviter toute substance qui pourrait dégrader le plasma, mais que devient l'hélium produit par les réactions ?
Je dirais que ça sert aussi à le stabiliser et bloquer les turbulences du plasma, car c'est la grande affaire d'un tokamak.Par ailleurs les variations des champs magnétiques sont elles nécessaires uniquement pour augmenter par induction la température du plasma ?
Le but est de recueillir tous les neutrons dans la couverture tritigène (ce qui représente un sacré challenge)Le neutron éjecté s'arrête t il sur la surface des couvertures tritigènes ou peut il aller plus en profondeur ?
Dernière modification par Gilgamesh ; 09/12/2014 à 07h24.
Parcours Etranges
"Le noyau d'hélium est porteur d'une charge électrique. Il sera donc soumis aux champs magnétiques du tokamak et restera ainsi confiné dans le plasma. Toutefois, 80 % environ de l'énergie produite sera emportée hors du plasma par le neutron qui, n'étant pas chargé électriquement, demeurera insensible aux champs magnétiques." https://www.iter.org/fr/sci/Whatisfusion
"Avant le démarrage de la réaction de fusion, il est nécessaire de mettre les enceintes sous vide de manière à éliminer toutes les sources de molécules organiques dont la présence est susceptible de dégrader le plasma. " https://www.iter.org/fr/mach/vacuum
Mais comment l'hélium est amené dans le divertor car si il est toujours électriquement chargé, il va normalement resté confiné dans le plasma et devenir gênant non ?
Mathieu
Bonjour,
L'hélium, avec d'autres particules diffusent préférentiellement vers le bord du plasma .On va donc mettre en place des trappes - un peu élaborées - appelées "Limiteurs" .
Il existe 2 types de limiteurs , mais au final , on va pomper du mélange prélevé sur l'extérieur du plasma
Ce mélange , combustible- Hélium- particules issues de la paroi ( en faible proportion) va être trié , on supprime Hélium et particules et on réinjecte le combustible .
Ce type de pompage est, jusqu'à présent, jugé suffisant pour les exigences de qualité du plasma .
Merci pour vos réponses !
J'ai lu que le rendement dépendait de trois critères : la température, la densité du plasma, le temps de confinement.
Si l'on augmente la température, on consomme de l'énergie donc nous pouvons éliminer ce paramètre. En est il de même pour augmenter la densité du plasma ?
Et surtout, pourquoi est il si dure de maintenir le plasma confiné lorsqu'il entre en fusion ?
Mathieu
Si tu augmentes la température d'un gaz à pression constante, tu diminues sa densité.
Loi des gaz parfaits :
p = nkT
avec
p la pression
n la densité (en nombre de particule par unité de volume)
k la cte de Boltzmann
T la température en K
Si tu agis sur T sans agir sur p (cad que p est constant), le gaz va entrer en expansion, c'est à dire que n va diminuer.
=> pour conserver une forte densité à haute température, il faut exercer une pression de confinement.
Dans le cas d'un tokamak il faut appliquer un fort champ magnétique, et ça se paye en courant électrique dans les bobines.
Lorsque des réactions de fusion ont lieu dans le plasma, sa température va augmenter et donc le confinement sera plus difficile à tenir ; si on ne fait rien, la réaction s'étouffe d'elle même (c'est un des facteurs de sécurité de la réaction).
Dernière modification par Gilgamesh ; 17/12/2014 à 09h45.
Parcours Etranges
Re,
Il ne faut pas faire une fixation sur le rendement pour l'utilisation de la fusion aujourd'hui .
C'est comme si vous demandiez à Mr de Dion d'améliorer son moteur à pétrole en 1900 ; Le pauvre homme avait d'autres soucis en se rasant le matin .
Pour la fusion, nous sommes en 1900 . Le combustible est abondant et peu cher ; On bute sur des problèmes technologiques ( mais pas seulement ) .
On reprend le facteur d'amplification Q ( attention, ne s'applique qu'au plasma ):
Q = P fusion / Pextérieure
Il suffit que Q>1 pour que le bilan commence à devenir intéressant ;
La meilleure valeur de Q obtenue est de 0.64 sur le JET , soit 16 MW de puissance de fusion pour 25 MW de chauffage;
On pense obtenir Q = 10 sur ITER et peut être fonctionner "à l'ignition" - sans chauffage- dans certaines conditions , mais ce n'est pas le but ultime ;
Même un hypothétique réacteur ne fonctionnera pas à l'ignition et son rendement global sera de 30, 35%, comme les réacteurs à fission actuels .
Température plasma : limitée par l'échauffement des parois du tore ,
Densité du plasma : limitée par le confinement magnétique qui se dégrade quand la densité augmente ,
Les instabilités du plasma : résultent de turbulences magnétohydrodynamiques mal connues : des centaines de scientifiques de la communauté internationale
travaillent sur le sujet depuis des années , je cite l'un d'eux :
"Vouloir confiner un plasma chaud dans une enveloppe immatérielle constituée de champs magnétiques ,
c'est comme vouloir réaliser un anneau de confiture avec des rubans de Scotch "
Vous pouvez essayer dans votre cuisine quand votre maman aura le dos tourné .
