Tokamak 122235 28005851 2008-03-31T13:45:50Z Badmood 4507 nouveau style de bandeau de portail, voir [[Wikipédia:Prise de décision/Bandeaux de portail]] {{voir homonymie}} [[Image:Tokamak1-1 1950.jpg|right|framed|1946 : le dispositif de confinement magnétique testé par Thoneman (tores en verre et en métal), au laboratoire Clarendon (Oxford, Royaume-Uni)]] Un '''tokamak''' est une chambre de confinement [[Champ électromagnétique|magnétique]] destinée à contrôler un [[Physique des plasmas|plasma]] pour étudier la possibilité de la production d'énergie par [[fusion nucléaire]]. Ce terme vient du russe « ''{{lang|ru|toroidal'naja kamera magnetnymi katushkami}}'' » (en [[français]] : chambre toroïdale avec bobines magnétiques). On rencontre – plus rarement – la graphie ''tokomak''. Il s'agit d'une technologie de recherche expérimentale. L'objectif à long terme est de produire de l'électricité en récupérant la chaleur qui serait produite par la réaction de [[fusion nucléaire]]. Le tokamak fut inventé au début des [[années 1950]] par les [[Russe]]s [[Igor Tamm]] et [[Andreï Sakharov]]. == Principe == [[Image:D-t-fusion.png|thumbnail|250px|right|Fusion nucléaire]] La [[fusion nucléaire]] permet à partir de deux [[atome]]s très légers (par exemple le [[deutérium]] et le [[tritium]]) de créer des atomes plus lourds. Cette transformation produit un défaut de masse qui se manifeste sous forme d'énergie (''E''=''mc''² où ''E'' est l'énergie produite en joules, ''m'' la masse disparue en kg, et ''c'' la [[célérité]] de la lumière dans le vide, en m.s-¹). Cet excès d'énergie pourrait se transformer en excès de chaleur, qui par [[convection]] pourrait être convertie en [[électricité]] au moyen d'une [[turbine]] à vapeur couplée à un [[alternateur]]. ==Conditions nécessaires== === Température de fusion === Pour produire une réaction de fusion nucléaire, il faut chauffer la matière à de très hautes [[température]]s (plusieurs dizaines de millions de [[Degré celsius|degrés]]). Dans ces conditions, les [[électron]]s se détachent complètement de leur [[noyau atomique|noyau]] — on dit que l'atome s'[[Ionisation|ionise]]. La matière entre alors dans un nouvel état : l'état de [[Physique des plasmas|plasma]]. Afin d'obtenir de telles températures, plusieurs méthodes ont été expérimentées : * l'utilisation de l'[[effet Joule]] produit par le déplacement des électrons (mais ce phénomène n'est plus très efficace au-delà d'une température de 10 millions de degrés) ; * l'injection de particules accélérées dans un [[Particule élémentaire|accélérateur de particule]] annexe ; * l'échauffement obtenu par de puissants lasers ([[effet Compton]]) ; * l'utilisation d'[[onde électromagnétique|ondes électromagnétiques]] aux fréquences caractéristiques du milieu plasmique (le principe d'échauffement pourrait être comparé à celui du [[four à micro-ondes]]). Dans les réacteurs à fusion du futur, la température nécessaire pourrait être obtenue par une combinaison de ces méthodes. ===Confinement du plasma=== [[Image:Intérieur du tokamak JET en fonctionnement.jpg|right|300px|thumb|Intérieur du tokamak [[Joint european torus|JET]] au repos et en fonctionnement<br /> (<small>avec l'aimable autorisation de EFDA-JET</small>)]] L'enjeu consiste à contrôler le plasma au cœur du tokamak dans un volume limité et suffisamment éloigné des équipements. Comme le plasma est constitué de particules chargées, on peut confiner leur trajectoire de déplacement à l'intérieur d'un [[tore]] au moyen de champs magnétiques. Pour cela on doit créer un champ toroïdal auquel on associe une composante de champ qui lui est perpendiculaire (champ poloïdal). Dans les dispositifs du type Tokamak, le champ poloïdal est créé par un fort courant induit au sein même du plasma. Ce dispositif se distingue des [[Stellarator]]s, qui adoptent la même configuration de chambre à fusion de forme torique, mais au sein desquels aucun courant ne circule dans le plasma. === Bilan énergétique === On constate qu'il est nécessaire de fournir une énergie initiale pour garantir les conditions de maintien de la réaction (température et confinement). En principe, plus on injecte de combustible, plus l'énergie thermique produite est importante. Si la température produite était égale à celle demandée par la réaction, il ne serait plus nécessaire de réchauffer le combustible par des moyens extérieurs, on aurait alors atteint le seuil d'''ignition'' de la réaction. Ainsi pour un tel générateur, si le rapport de l'énergie produite par rapport à l'énergie fournie de façon extérieure arrivait à l'équilibre (autant d'énergie produite que d'énergie nécessaire au maintien de la réaction), on parlerait de ''breakeven''. Ce générateur serait alors autonome sur un plan énergétique. Au delà de ce seuil, tout surplus de combustible produirait un surplus d'énergie au bénéfice de l'exploitant. ==Avantages== Si une telle technologie parvenait à être mise au point, ses avantages seraient variés : * ''Une grande quantité de « carburant » fusible'' disponible : la matière fusible choisie est constituée de [[deutérium]] et de [[tritium]]. On trouve le deutérium (ou ''eau lourde'' quand cet isotope est combiné à l'oxygène) à l'état naturel (1 atome de deutérium pour 6&nbsp;000 atomes d'[[hydrogène]] dans l'eau soit 30 mg/l d'eau). De plus, si l'on place des atomes de Lithium 7 sur le chemin des neutrons produits, il y aura réaction de fission et seront produits de l'hélium, un neutron et du tritium, le réacteur auto-produirait ainsi une partie de son combustible. * ''Une production d'éléments [[Radioactivité|radioactifs]] à vie courte'' : le combustible est faiblement radioactif ([[tritium]]) et sa production reste confinée dans l'enceinte du réacteur. À la fin de vie du réacteur, les éléments radioactifs à recycler sont pour la plupart dits « à vie courte ». * ''Un faible risque d'[[accident nucléaire]] majeur'' : étant donné les conditions strictes nécessaires à la fusion, toute anomalie dans l'état de la réaction provoquerait l'arrêt immédiat des réactions en cours. Il n'y aurait donc pas de risque d'emballement de la réaction. ==Difficultés== Cette technologie reste encore au stade de la recherche : * La [[physique des plasmas]] n'est pas encore bien maîtrisée, il est notamment très difficile de modéliser le comportement d'un plasma dans un confinement magnétique. * Les choix et l'utilisation des matériaux ne sont pas encore définis car les contraintes imposées sont nombreuses (température, résistance aux champs magnétiques, stabilité aux radiations, importante durée de vie ...). Et on ne connaît pour le moment aucun matériau capable de résister longtemps à ces conditions. * Le [[tritium]] pose le problème de sa diffusion élevée dans les différents matériaux (fuites). Cela complique d'autant le choix de ces matériaux et la décontamination du tritium. * Pour atteindre l'objectif d'une fusion auto-entretenue rentable, il serait nécessaire de confiner une grande quantité de plasma. La rentabilité des plasmas obtenus se lie à la taille des installations. Par exemple, la durée de confinement du plasma utile (fusible) varie avec le carré du grand rayon du plasma traité. Ainsi les coûts de construction et de maintenance de tels dispositifs seront très importants. ==Prototypes== [[Image:ITER-img 0237 detoure.jpg|thumb|Maquette de ITER]] [[Image:KSTAR_tokamak.jpg|right|thumb|KSTAR, en construction à Daejeon (Corée du Sud)]] Il existe actuellement plusieurs prototypes de tokamak : * [[International Thermonuclear Experimental Reactor]] (ITER), qui est en cours de construction à [[Cadarache]] * KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research à [[Daejeon]] * [[Joint european torus]] (JET), basé à [[Culham]] au [[Royaume-Uni]] ; * [[Tore Supra]], basé à [[Cadarache]] en [[France]] ; * [[JT-60]] ou JAERI - Japan Atomic Energy Research Institute - Tokamak 60, au Japon ( [[Naka]] ) * Asdex et son amélioration Asdex-Upgrade, conçu en Allemagne dans les [[années 1980]] * Doublet et son amélioration DIII-D, conçu aux Etats-Unis dans les années 1980 Premiers prototypes : * Tokamak T3, conçu en Union soviétique dans les [[années 1960]] * TFR (Tokamak de [[Fontenay-aux-Roses]]), conçu en France dans les [[années 1970]] * PLT, conçu aux États-Unis dans les [[années 1970]] * T 10, conçu en Union soviétique dans les années 1970 * TFTR, conçu aux États-Unis dans les [[années 1980]], aujourd'hui fermé Il existe de nombreuses autres expériences, chacune avec ses spécificités : * MAST et Compass D en Angleterre * Castor en Tchécoslovaquie * FTU en Italie * [[Tokamak à Configuration Variable]], ou TCV, basé à l'[[École polytechnique fédérale de Lausanne]] en [[Suisse]] * Alcator CMod aux États-Unis * TdeV au Canada D'autres pistes d'étude de production d'énergie à partir de la fusion sont étudiées : * La [[fusion par confinement inertiel]] avec le [[laser mégajoule]] ==Liens externes== * {{fr}} [http://www-fusion-magnetique.cea.fr/accueil/index.htm CEA - La fusion magnétique ] * {{fr}} [http://www-drfc.cea.fr/fusion/physique/sommaire.htm CEA - La physique de la fusion] * {{fr}} [http://perso.club-internet.fr/jac_leon/PhyTech/fusion/fusion.htm Une passion nommée Physique - La fusion thermonucléaire contrôlée] * {{fr}} [http://www.epsic.ch/pagesperso/schneiderd/Apelm/Sources/fusion.htm Vive l'énergie de fusion - Tokamak (fusion)] * {{fr}} [http://www.francenuc.org/fr_mat/tritium_f.htm La France nucléaire - les dangers du Tritium] * {{fr}} [http://www.wise-paris.org/index_f.html?/francais/nosbreves/annee_2003/nosbreves031128.html Wise paris - Les dangers de la fusion] * {{en}} [http://crppwww.epfl.ch/tcv/ Le Tokamak à Configuration Variable] {{Énergie de fusion}} {{Portail|énergie|physique}} [[Catégorie:Dispositif à fusion thermo-nucléaire]] [[bg:Токамак]] [[cs:Tokamak]] [[de:Tokamak]] [[en:Tokamak]] [[es:Tokamak]] [[hu:Tokamak]] [[it:Tokamak]] [[ja:トカマク型]] [[lt:Tokamakas]] [[nl:Tokamak]] [[no:Tokamak]] [[pl:Tokamak]] [[pt:Tokamak]] [[ru:Токамак]] [[sk:Tokamak]] [[sl:Tokamak]] [[tr:Tokamak]] [[zh:托卡马克]]