25 ans de la vie d'ITER
27 Jun 2012
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Robert Arnoux
De l'hydrogène; différents dosage d'hélium-hydrogène; du deutérium et, enfin le « vrai mélange » de fusion constitué de deutérium et de tritium en proportion égale : avant d'aborder la phase proprement nucléaire de son programme, ITER aura mis en œuvre une large palette de plasmas différents.
À l'horizon 2027, un soleil s'allumera dans la chambre à vide d'ITER. Ce petit astre artificiel se nourrira d'un mélange gazeux porté à très haute température (un plasma) constitué à parts égales de deutérium et de tritium, les deux isotopes de l'hydrogène. En mettant en œuvre ces combustibles, ITER entrera dans la phase proprement « nucléaire » de son programme de recherches, celle qui doit ouvrir la voie à l'exploitation industrielle et commerciale de l'énergie de fusion.
Lorsque dans quinze ans d'ici le « bon mélange » sera introduit dans la chambre à vide du tokamak, les opérateurs d'ITER auront déjà derrière eux près de sept années d'expérience — sept années au cours desquelles la production de plasmas non-nucléaires (hydrogène, hélium-hydrogène en proportion variable, deutérium) leur auront appris à « conduire » la machine et à en maîtriser tous les comportements.
La production de plasmas non-nucléaires, sans tritium, offre un double avantage : elle permet « d'accorder » finement la machine sans pour autant en activer les éléments internes. Dans la mesure où ni l'hydrogène, ni l'hélium, ni même les rares réactions de fusion survenant dans les plasmas de deutérium ne génèreront une radioactivité significative, la chambre à vide demeurera accessible aux interventions humaines. Des réglages, des ajustements, voire des modifications pourront y être réalisés sans que l'on doive recourir à des opérations robotisées.
Le Premier Plasma, qui sera produit au mois de novembre 2020, sera un plasma d'hydrogène. « Pour l'heure, explique David Campbell, le chef du Directorat pour les opérations plasma à ITER, nous prévoyons un 'plasma minimal', d'une durée de quelques centaines de millisecondes, avec une intensité de courant de l'ordre de 100 000 ampères. » On sera encore loin, à ce stade, de l'objectif nominal d'ITER : des plasmas d'une durée de dix minutes et plus, sous un courant de 15 millions d'ampères.
Ce plasma inaugural, d'une forte valeur symbolique, sera suivi d'une campagne de « décharges courtes », de l'ordre de quelques secondes, au fil desquelles l'intensité du courant sera progressivement portée à 2 millions d'ampères.
Le programme expérimental d'ITER sera véritablement lancé au mois de mars 2023 avec, pour commencer, une production régulière de plasmas d'hélium et de plasmas d'hydrogène. Cette campagne « non-active », c'est-à-dire qui ne générera pas de réactions de fusion, même limitées, durera un peu plus de deux ans. Trente décharges, en moyenne, seront produites quotidiennement, ce qui permettra de tester l'ensemble des systèmes, de valider la mise en service de certains dispositifs et de poursuivre la formation des opérateurs.
Lorsque dans quinze ans d'ici le « bon mélange » sera introduit dans la chambre à vide du tokamak, les opérateurs d'ITER auront déjà derrière eux près de sept années d'expérience — sept années au cours desquelles la production de plasmas non-nucléaires (hydrogène, hélium-hydrogène en proportion variable, deutérium) leur auront appris à « conduire » la machine et à en maîtriser tous les comportements.
La production de plasmas non-nucléaires, sans tritium, offre un double avantage : elle permet « d'accorder » finement la machine sans pour autant en activer les éléments internes. Dans la mesure où ni l'hydrogène, ni l'hélium, ni même les rares réactions de fusion survenant dans les plasmas de deutérium ne génèreront une radioactivité significative, la chambre à vide demeurera accessible aux interventions humaines. Des réglages, des ajustements, voire des modifications pourront y être réalisés sans que l'on doive recourir à des opérations robotisées.
Le Premier Plasma, qui sera produit au mois de novembre 2020, sera un plasma d'hydrogène. « Pour l'heure, explique David Campbell, le chef du Directorat pour les opérations plasma à ITER, nous prévoyons un 'plasma minimal', d'une durée de quelques centaines de millisecondes, avec une intensité de courant de l'ordre de 100 000 ampères. » On sera encore loin, à ce stade, de l'objectif nominal d'ITER : des plasmas d'une durée de dix minutes et plus, sous un courant de 15 millions d'ampères.
Ce plasma inaugural, d'une forte valeur symbolique, sera suivi d'une campagne de « décharges courtes », de l'ordre de quelques secondes, au fil desquelles l'intensité du courant sera progressivement portée à 2 millions d'ampères.
Le programme expérimental d'ITER sera véritablement lancé au mois de mars 2023 avec, pour commencer, une production régulière de plasmas d'hélium et de plasmas d'hydrogène. Cette campagne « non-active », c'est-à-dire qui ne générera pas de réactions de fusion, même limitées, durera un peu plus de deux ans. Trente décharges, en moyenne, seront produites quotidiennement, ce qui permettra de tester l'ensemble des systèmes, de valider la mise en service de certains dispositifs et de poursuivre la formation des opérateurs.
Pourquoi l'hélium ? C'est dans les mystères du « Mode H » qu'il faut chercher la réponse. Ce régime de plasma, découvert il y a 30 ans et dont on ne s'explique pas clairement tous les mécanismes physiques, se caractérise par une amélioration soudaine de la qualité du confinement de l'énergie et par la disparition des turbulences à la périphérie du plasma.
Pour des raisons, là encore complexes et mal élucidées, un plasma d'hélium demande moins d'énergie pour passer en Mode H que n'en requiert un plasma d'hydrogène . Dans la mesure où, au début de cette campagne, tous les systèmes de chauffage de la machine ne seront pas installés, l'hélium offre un compromis acceptable pour aborder le programme expérimental d'ITER.
Entamées avec des plasmas d'hélium, les expériences se poursuivront avec de l'hélium progressivement enrichi en hydrogène, puis avec de l'hydrogène pur. Dans le même temps, on aura installé et validé la totalité des éléments et systèmes de la machine, ce qui conduira ITER jusqu'au seuil de la phase nucléaire de son programme de recherche.
On sera alors à la fin de l'année 2025 et la machine sera mise à l'arrêt « pré-nucléaire » pendant à peu près neuf mois. C'est pendant cette pause que seront réalisées les ultimes interventions humaines dans l'enceinte de la machine : ajustements, réparations éventuelles, et, le cas échéant, installations de dispositifs complémentaires.
Dans la phase « deutérium-deutérium » (D+D) qui suivra, les réactions de fusion au sein du plasma seront peu nombreuses mais cependant suffisantes pour générer un début d'activation dans les éléments internes de la chambre à vide. Si les plasmas D+D ne sont pas véritablement des plasmas nucléaires, leur comportement est très proche, particulièrement en ce qui concerne les caractéristiques du Mode H, de celui des plasmas « deutérium-tritium » (D+T) qui seront ceux de la fusion industrielle.
« Vers la fin de l'année 2027, poursuit David Campbell, nous devrions pouvoir commencer à introduire d'infimes quantités de tritium dans les plasmas ». Tandis que ces quantités augmenteront progressivement, la production d'énergie de fusion croîtra de manière parallèle.
Pour des raisons, là encore complexes et mal élucidées, un plasma d'hélium demande moins d'énergie pour passer en Mode H que n'en requiert un plasma d'hydrogène . Dans la mesure où, au début de cette campagne, tous les systèmes de chauffage de la machine ne seront pas installés, l'hélium offre un compromis acceptable pour aborder le programme expérimental d'ITER.
Entamées avec des plasmas d'hélium, les expériences se poursuivront avec de l'hélium progressivement enrichi en hydrogène, puis avec de l'hydrogène pur. Dans le même temps, on aura installé et validé la totalité des éléments et systèmes de la machine, ce qui conduira ITER jusqu'au seuil de la phase nucléaire de son programme de recherche.
On sera alors à la fin de l'année 2025 et la machine sera mise à l'arrêt « pré-nucléaire » pendant à peu près neuf mois. C'est pendant cette pause que seront réalisées les ultimes interventions humaines dans l'enceinte de la machine : ajustements, réparations éventuelles, et, le cas échéant, installations de dispositifs complémentaires.
Dans la phase « deutérium-deutérium » (D+D) qui suivra, les réactions de fusion au sein du plasma seront peu nombreuses mais cependant suffisantes pour générer un début d'activation dans les éléments internes de la chambre à vide. Si les plasmas D+D ne sont pas véritablement des plasmas nucléaires, leur comportement est très proche, particulièrement en ce qui concerne les caractéristiques du Mode H, de celui des plasmas « deutérium-tritium » (D+T) qui seront ceux de la fusion industrielle.
« Vers la fin de l'année 2027, poursuit David Campbell, nous devrions pouvoir commencer à introduire d'infimes quantités de tritium dans les plasmas ». Tandis que ces quantités augmenteront progressivement, la production d'énergie de fusion croîtra de manière parallèle.
« Au terme de quatre à six mois, nous serons à même de réaliser la démonstration qui est au cœur du cahier des charges d'ITER : ce fameux 'Q = 10' qui consiste à produire pendant plusieurs dizaines de secondes dix fois plus d'énergie que nous en aurons injecté dans la machine ».
C'est dans le tokamak ASDEX, de l'Institut Max Planck pour la Physique des Plasmas, à Garching (Allemagne), que le "H Mode" fut observé pour la première fois en 1982.
La mission toutefois ne sera pas totalement accomplie : « Nous aurons besoin d'encore un peu de temps pour apprendre à maîtriser les décharges de très longue durée et atteindre l'objectif nominal d'ITER, qui consiste à soutenir 'Q=10' pendant cinq à dix minutes. »
Parvenu à ce point de son programme, et après une nouvelle mise à l'arrêt dans le courant de l'année 2028, ITER aura encore devant lui dix années d'activité planifiée — assez pour pousser 'Q' bien au-delà de 10 pendant une cinquantaine de minutes et se rapprocher ainsi des conditions d'exploitation du futur réacteur de démonstration DEMO.
Si ces opérations rencontrent le succès attendu, la durée de vie de l'installation ITER pourrait être prolongée au-delà de 2037. « Si les partenaires du programme le souhaitent et si l'Autorité de sûreté nucléaire française l'autorise, c'est une perspective qui peut être envisagée », estime David Campbell.
Le JET européen, qui a précédé ITER dans la quête de l'énergie de fusion, aurait dû éteindre ses feux en 1990. Vingt-deux ans plus tard, la machine est toujours opérationnelle et sa contribution au programme ITER est plus que jamais essentielle.
Parvenu à ce point de son programme, et après une nouvelle mise à l'arrêt dans le courant de l'année 2028, ITER aura encore devant lui dix années d'activité planifiée — assez pour pousser 'Q' bien au-delà de 10 pendant une cinquantaine de minutes et se rapprocher ainsi des conditions d'exploitation du futur réacteur de démonstration DEMO.
Si ces opérations rencontrent le succès attendu, la durée de vie de l'installation ITER pourrait être prolongée au-delà de 2037. « Si les partenaires du programme le souhaitent et si l'Autorité de sûreté nucléaire française l'autorise, c'est une perspective qui peut être envisagée », estime David Campbell.
Le JET européen, qui a précédé ITER dans la quête de l'énergie de fusion, aurait dû éteindre ses feux en 1990. Vingt-deux ans plus tard, la machine est toujours opérationnelle et sa contribution au programme ITER est plus que jamais essentielle.