Boinc - Equipe de la Science

Ces gaz sont responsables du réchauffement climatique de la planète en piégeant dans l’atmosphère la chaleur venue du Soleil. De plus les spécialistes prévoient une pénurie de ces combustibles fossiles pour les années à venir. Dans les années 1950 a commencé le développement des centrales nucléaires utilisant des réactions de fission des atomes. Le problème majeur posé par ce type d’installation est le fait que les réactions de fission engendrent des déchets radioactifs nocifs ayant une durée de vie très longue. Aujourd’hui, nous sommes tous conscients qu’il faut protéger l’environnement et la planète pour les générations futures. L’exploitation des énergies renouvelables (comme l’énergie solaire, l’éolien, l’énergie des marées…) semble être un bon moyen d’y parvenir, mais il est très difficile de produire une grande quantité d’énergie et l’exploitation de ces ressources n’est pas sans conséquences sur l’environnement. Une alternative intéressante est de tenter de produire de l’énergie en imitant les réactions nucléaires qui se passent dans le Soleil : il s’agit de la fusion thermonucléaire. Un projet international de cette nature a démarré en 1985 : il s’agit du projet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). La phase de conception s’est achevé en 2002 et nous assistons donc au tout début de la phase de construction (à Cadarache, dans le sud de la France) qui précède celle de l’exploitation. Après en avoir étudier le fonctionnement nous devrons nous demander quelles sont les craintes et les espoirs environnementaux générés par la fusion thermonucléaire avec le nouveau réacteur ITER ?

1- Le fonctionnement d’un réacteur utilisant la fusion thermonucléaire deurérium-tritium.

A-La réaction de fusion deutérium-tritium.

Nous allons donc étudier le fonctionnement du réacteur de fusion nucléaire. Tout d’abord, le principe de base du réacteur est la fusion entre deux noyaux d’atomes légers contrairement à la fission nucléaire qui correspond à la cassure d’un noyau d’atome radioactif lourd due à une collision avec un neutron qui donne deux autres neutrons et recommenceront le même procédé, c’est la réaction en chaîne. Ces deux réactions créent de l’énergie mais les produits de fission sont des éléments radioactifs lourds contrairement à l’hélium créé après la fusion.

De plus, il est possible d’utiliser plusieurs réactifs pour créer la réaction de fusion, mais c’est la fusion entre le deutérium et le tritium qui est la plus simple à réaliser et qui produit le plus d’énergie, c’est donc celle qui va être utilisée dans ITER. La fusion deutérium-deutérium (D + D) est plutôt simple à réaliser mais elle ne produit pas beaucoup d’énergie et au contraire la réaction deutérium-hélium 3 (D + 3H) produit une grande quantité d’énergie mais est délicate à réaliser.

Le deutérium et le tritium sont des isotopes de l’hydrogène, c’est à dire qu’ils ont le même nombre de protons que l’hydrogène mais qu’ils ont un nombre différent de neutrons. Le deutérium a donc un proton et un neutron (il est noté 12H) alors que le tritium possède deux neutrons et un proton (il est noté 13H).

Différence entre la fusion D-T sur Terre et la fusion du Soleil.

La réaction de fusion dans le réacteur est souvent comparée à celle qui se produit dans le Soleil, pourtant ce n’est pas exactement la même car elle se fait entre deux noyaux d’atomes d’hydrogène, ce qui est beaucoup plus complexe : elle se fait en plusieurs étapes :

D’abord deux protons fusionnent pour donner un noyau de deutérium constitué d’un proton et d’un neutron (remarquons qu’un des protons a dût se transformer en neutron).

Ce deutérium fusionne à son tour avec un autre proton pour former un noyau d’hélium 3 (deux protons un neutron).

Enfin deux noyaux d’hélium 3 fusionnent pour donner un noyau d’hélium 4 (deux protons et deux neutrons) en libérant deux protons.

De plus, elle ne se fait pas dans les mêmes conditions car le rapprochement des deux noyaux se fait grâce à la chaleur et à la forte gravitation du Soleil (due à son importante masse), conditions irréalisables sur Terre du fait de sa petite taille.

Le problème de la barrière Coulombienne.

Mais la fusion thermonucléaire D-T n’est pas simple à réaliser du fait de la répulsion électromagnétique des noyaux qui sont chargés positivement. En effet, les noyaux sont chargés positivement à cause des protons qui le composent. Sachant que deux éléments de même charge électrique se repoussent, il faut donc franchir cette barrière (barrière Coulombienne) pour que les noyaux puissent fusionner. C’est pourquoi il faut les agiter suffisamment pour qu’ils puissent se percuter. Au maximum d’une distance égale au diamètre du noyau concerné, l’interaction forte va entrer en jeu et pourra maintenir les deux noyaux en place car sa force attractive est supérieure à celle de l’interaction électromagnétique. Pour créer une telle agitation moléculaire il faut donner de la vitesse aux particules et par conséquent, augmenter leur température de l’ordre de plusieurs centaines de millions de degrés. A de telles températures, les électrons se sont détachés complètement du noyau ; on dit que l’atome s’ionise et l’on entre alors, dans le quatrième état de la matière, l’état de plasma.

B. Le confinement magnétique.

Cependant aucun matériau ne peut supporter des telles températures d’où la nécessité d’enfermer le plasma dans une “ boîte immatérielle”. De plus, l’absence de contact avec une paroi matérielle évite que le plasma se refroidisse. Deux sortes de confinement sont à l’étude :

  le confinement inertiel : une petite bille de réactifs est portée à très haute pression et très haute température pendant un temps extrêmement court par des faisceaux laser dirigés sur elle ;

  Le confinement magnétique est le type de confinement utilisé dans les réacteurs de fusion thermonucléaire et donc aussi dans le futur réacteur ITER.

Comme les particules (électrons et noyaux d’atomes) sont chargées électriquement, les champs magnétiques peuvent interagir sur ces particules et les piéger dans la boîte formée par ces champs magnétiques. Si le plasma baigne dans un champ magnétique rectiligne, les particules s’enroulent autour des lignes de champ et ne peuvent plus atteindre les parois latérales. Pour éviter les pertes aux extrémités, on referme la boîte magnétique sur elle-même en créant un tore. Ce champ magnétique toroïdal est formé par des aimants entourant le plasma.

Schéma d’un champ magnétique toroïdal avec ses aimants (en rouge).

Pour minimiser les risques de fuite de particules, les lignes de champ doivent être hélicoïdales. Ceci est réalisé par l’ajout d’un champ poloïdal qui est perpendiculaire au champ toroïdal. Un autre champ magnétique créé par un courant axial circule dans le plasma lui-même. Cette configuration des champs magnétiques s’appelle la configuration tokamak et c’est la plus répandue dans les réacteurs de fusion.

C. Le chauffage du plasma

Pour atteindre les très fortes températures dont la fusion a besoin pour se réaliser, on va utiliser trois moyens de chauffage du plasma.

Le courant axial, qui traverse le plasma, va le chauffer de la même manière que le filament d’une ampoule chauffe lorsque le courant passe à travers. Il s’agit d’un chauffage ohmique. Malheureusement, celui-ci chauffe en fonction de la résistance du plasma qui diminue très fortement lorsque la température augmente : il ne permet d’atteindre que des températures limitées, de l’ordre de 10 millions de degrés. Pour atteindre la centaine de millions de degrés nécessaires aux réactions de fusion, il faut utiliser deux méthodes de chauffage additionnel :

  le chauffage par injection de particules neutres très énergétiques, qui fonctionne grâce aux collisions de ces particules avec celles du plasma. Les particules doivent être neutres pour éviter qu’elles interagissent avec le champ électromagnétique.

  le chauffage par ondes radio-fréquences, qui fonctionne à la manière d’un four micro-ondes en agitant les particules du plasma avec une fréquence choisie.

II. Bilans énergétique et radioactif, et les ressources

A. Bilan énergétique

Le chauffage et le confinement magnétique (même s’il est réalisé grâce à des bobines supraconductrices) ont besoin d’une très grande quantité d’énergie. Pour le moment, aucun réacteur n’a réussi à produire plus d’énergie qu’on lui en a fourni.

Dans un réacteur de fusion thermonucléaire à confinement magnétique, lorsque les réactions de fusion sont en nombre important dans le plasma, l’énergie portée par les noyaux d’hélium reste confinée dans le plasma et cède leur énergie (sous forme de chaleur) au plasma par collisions. Si cette contribution devient égale à l’énergie perdue par le plasma, alors il n’est plus nécessaire de la chauffer. Le plasma thermonucléaire est alors autoentretenu : on dit qu’il est en ignition. Si l’on définit le rapport entre la puissance totale générée par le plasma et la puissance de chauffage injectée dans le plasma, alors ce rapport est infini si le plasma est autoentretenu. Lorsque ce facteur est égal à l’unité, le plasma fournit autant d’énergie qu’on lui en injecte. Cette dernière condition s’appelle le "break even". Ce dernier est très intéressant car il permet de réduire sensiblement la quantité d’énergie utilisée pour le chauffage du plasma.

Malgré le fait que le plasma soit confiné dans un champ électromagnétique, les parois sont soumises à de fortes températures, il faut donc les refroidir en permanence. Pour cela, de l’eau sous pression parcourt les parois du réacteur. Cette eau s’échauffe, passe dans une turbine et grâce à un alternateur, produit de l’électricité (comme actuellement dans les centrales à fission nucléaire).

B. Ressources

Le deutérium, isotope de l’hydrogène (H), se trouve en grande quantité sur Terre puisqu’il y a 33 grammes par tonne d’eau de mer ce qui est une ressource quasi-inépuisable. Le deutérium est un élément stable : il n’est pas radioactif.

En revanche le tritium n’est pas un élément naturel, il est produit à partir du lithium. L’isotope naturel du lithium le plus abondant est le lithium 6 (36Li). C’est à partir de ce dernier que l’on synthétise le tritium par la réaction :

Un neutron vient percuter un noyau de lithium 6 et donne un noyau d’hélium et un noyau de tritium.

Pour éviter d’avoir à synthétiser le tritium puis de le transporter, la paroi interne du réacteur ITER sera composée d’une couverture tritigène, elle-même étant constituée de lithium. Au contact des neutrons issus de la réaction de fusion deutérium-tritium, le lithium de la couverture tritigène se transformera en un noyau d’hélium et en un noyau de tritium. Comme cela, le tritium sera auto-produit par le réacteur mais il faudra un peu de tritium pour initialiser la fusion. Le lithium est moins abondant que le deutérium mais il existe tout de même une assez grande réserve. Sa concentration moyenne dans l’écorce terrestre est de 30 grammes par mètre cube et l’on estime les réserves à 12 millions de tonnes.

Le deutérium et le lithium sont donc des éléments abondamment présents sur Terre, les réserves sont telles que les besoins peuvent être couverts pendant plusieurs millions d’années. Les ressources abondantes sont donc un atout pour la fusion thermonucléaire.

C. Bilan radioactif

Le tritium, qui est un réactif de la fusion thermonucléaire, est un élément radioactif. Il émet un rayonnement bêta moins (β-), se caractérisant par l’émission d’un électron pouvant parcourir dans l’air, moins d’un centimètre et dans la matière, quelques microns (du fait de sa faible énergie). Les neutrons issus de la réaction de fusion emportent 80% de l’énergie alors que les noyaux d’hélium n’en emportent que 20%. Ces neutrons, comme ils n’ont pas de charge électrique, ne restent pas confinés dans le plasma et heurtent les parois du réacteur. Comme toute installation soumise à des flux de neutrons, les parois du réacteur seront activées (elles deviendront radioactives). Cette radioactivité ne devrait pas être de longue période mais les écologistes affirment le contraire. Cependant pour l’enceinte, le choix judicieux de matériaux à faible activation devrait permettre de minimiser la quantité de déchets radioactifs Les parois du réacteur devront pourtant supporter au mieux des flux de neutrons de 14 MeV, ce qui n’a jamais été testé dans aucun réacteur jusqu’à maintenant. L’électron-volt de symbole eV est une unité de mesure d’énergie qui équivaut à 1,6x10-19 J (joules).

III. Les impacts de la radioactivité sur l’homme et l’environnement.

A. L’énergie nucléaire et la radioactivité.

Il est nécessaire d’introduire des unités distinctes pour décrire la radioactivité, son effet sur la matière et son effet sur les organismes vivants.
 Le becquerel (Bq) représente le nombre d’atomes radioactifs qui se désintègrent en une seconde.
 Le gray (Gy) est la mesure de l’absorption d’énergie : les rayons ionisants cèdent de l’énergie à la matière qu’ils traversent. Ce transfert d’énergie s’exprime en gray. Une dose reçue supérieure à 5 Gy conduit à une mort certaine.
 Le sievert (Sv) mesure la nocivité de la dose absorbée. En effet, à dose absorbée égale, l’effet sur un être humain varie selon la nature du rayonnement et de l’organe exposé.

Il faut savoir que la radioactivité est un phénomène complètement naturel. Environ 58 % du rayonnement qui atteint l’homme sont d’origine naturelle : le Soleil émet des rayonnements radioactifs (réactions de fusion), la Terre émet aussi des rayonnements radioactifs qui proviennent de la désintégration d’isotopes radioactifs (uranium 238, thorium 232, potassium 40, pour les principaux) qui chauffent la Terre. La part de rayonnements artificiels qui touchent l’homme atteint environ 42 % provenant pour 41 % des radiographies et pour 1 %, des essais nucléaires, des déchets nucléaires et des accidents comme celui de la centrale de Tchernobyl. Cette part du rayonnement est donc infime mais elle n’est pas négligeable. De ce point de vue, ITER présente un atout supplémentaire par rapport aux centrales nucléaires.

L’accident de Tchernobyl était dû à l’explosion d’un réacteur. Les risques d’accident avec ITER sont quasiment nuls. L’accident le plus important qui risque d’arriver est une rupture de l’enceinte de confinement et de la couverture tritigène entraînant le relâchement de quelques éléments solides radioactifs et d’un peu de tritium. Comme le combustible présent dans le plasma est en petite quantité, la radioactivité relâchée hors du réacteur ne peut pas atteindre le niveau nécessaire pour entraîner une évacuation de la population. Seul le personnel travaillant sur place serait touché. La probabilité d’un tel évènement est quasiment nulle mais prise en compte dans les règles de sécurité. En outre, en cas de problème, comme par exemple l’interruption du champ électromagnétique qui confine le plasma, le réacteur peut s’arrêter très vite car le plasma se refroidit très rapidement aux abords des parois et donc la réaction de fusion s’arrête.

B. L’impact de la radioactivité sur le vivant.

Les organismes vivants sont constitués de cellules. Chaque cellule contient des molécules d’ADN, support de l’information génétique. Celle-ci est nécessaire pour le bon fonctionnement de la cellule et pour sa réplication. Une modification de l’ADN (mutation) peut avoir des conséquences dramatiques pour la cellule et donc pour l’organisme. Les rayonnements ionisants, c’est-à-dire les rayonnements radioactifs, peuvent casser ou altérer l’ADN. Heureusement la cellule dispose de puissants mécanismes de réparation. Dans la grande majorité des cas, cette réparation est efficace et tout fonctionne comme avant. Dans quelques cas très rares, elle se fait mal et deux situations peuvent se présenter.

Dans la première, la cellule active des gènes suicides et programme sa destruction (mort cellulaire). Dans la seconde, on aboutit à une mutation irréversible qui sera inscrite dans le génome (patrimoine génétique) et transmise lors de la division cellulaire. Cette mutation est la première étape vers un cancer mais n’est pas suffisante pour que celui-ci se développe. Il faut d’autres facteurs génétiques et environnementaux pour favoriser la multiplication de ces cellules mutées et ainsi engendrer un cancer.

Le simple fait de vivre conduit, pour un être humain, à quelques dizaines de milliers d’altérations par cellule et par jour. Son interaction avec l’environnement augmente ce nombre. Par exemple une heure d’exposition au soleil sur une plage induit entre 60 000 et 80 000 altérations par cellule, 5 cigarettes par jour entre 25 et 50 altérations. La radioactivité naturelle n’induit que 2 altérations par an et par cellule. L’industrie nucléaire qui n’y contribue, en moyenne, que pour quelques millièmes de mSv, est tout à fait négligeable. Pour les travailleurs en milieu radioactif, les doses reçues sont généralement équivalentes à celles de la radioactivité naturelle. Sauf lors de situations exceptionnelles qui ne devraient pas se produire avec ITER, l’utilisation de l’énergie nucléaire n’a pas d’influence notable sur la santé humaine.

Atouts d’ITER pour l’environnement.

Comme nous l’avons vu précédemment, le risque d’accident est très faible. D’autre part, les matériaux employés pour la structure du réacteur ITER ont des propriétés de basse activation. Leur radioactivité sera limitée à une échelle de temps de 50 à 100 ans, contre des milliers d’années pour les déchets nucléaires provenant de la fission. La période radioactive du tritium est de 12,3 ans, il disparaît donc rapidement. Son rayonnement est peu pénétrant puisque 5mm d’air suffisent à l’arrêter. La contamination ne peut donc intervenir qu’en cas d’absorption ou de respiration. Le tritium ne s’accumule pas dans les organismes biologiques : il disparaît naturellement avec une période de l’ordre de 10 jours (période biologique). Enfin, l’énergie de fusion est la filière énergétique présentant le plus faible impact sur l’environnement : pas de pollution atmosphérique en fonctionnement, faible émission de CO2.

Conclusion :

ITER et la fusion thermonucléaire sont donc une perspective d’avenir concernant la production d’électricité sur Terre. En effet les intérêts de la fusion : ressources abondantes, pas de déchets radioactifs à vie longue mais seulement un peu de déchets à vie courte, très peu de dégagement de dioxyde de carbone sur toute la filière de la fusion, permet de penser que cette source d’énergie est une réponse possible aux besoins d’électricité à long terme ; il s’agit presque d’une énergie propre (hormis les matériaux activés de la paroi). Les inconvénients de la fusion résident dans le fait que pour le moment, aucun réacteur n’a pu produire plus d’énergie qu’on lui en a fourni (pour le chauffage du plasma et les champs magnétiques) et que les matériaux aux abords du plasma subissent d’énormes contraintes (activation). Il est indispensable de poursuivre ces recherches pour domestiquer la fusion thermonucléaire (ITER n’est qu’un réacteur expérimental destiné à teste la faisabilité de la fusion en échelle industrielle), car cette source d’énergie se place bien dans une perspective de développement durable. Même si les progrès en la matière sont réguliers, on est encore très loin d’une réalisation industrielle. Il nous reste juste à espérer qu’elle sera disponible à un coût compétitif dans les décennies à venir.