À l’été 2020, les dirigeants des États participants ont lancé la construction de l'élément principal du réacteur envisagé, le tokamak, c'est-à-dire le système de rétention et de chauffage du plasma. Découvrez avec Sputnik la contribution des scientifiques russes à l'un des plus grands projets de l'humanité dans le domaine de l'énergie.
Le monde de l'énergie thermonucléaire
Les réactions thermonucléaires produisent une quantité d’énergie énorme. En outre, le plasma dans lequel ces réactions se produisent monte à une température de dizaines voire de centaines de millions de degrés, alors que les matériaux les plus résistants à la chaleur ne peuvent pas supporter plus de à 3.000 à 4.000 degrés.
L'énergie thermonucléaire peut être utilisée si le plasma est «détaché» des parois du réacteur avec de forts champs magnétiques, expliquent les scientifiques. Le meilleur piège magnétique pour le plasma thermonucléaire – le tokamak - a été avancé par les académiciens soviétiques Sakharov et Tamm au début des années 1950 et a été mis en place à l’Institut Kourtchatov.
Contrairement au réacteur atomique, le réacteur thermonucléaire ne procède pas à la fission des noyaux, mais à leur synthèse à une densité de plasma 100.000 fois inférieure à la densité de l'air. Grâce à cela, une explosion est impossible, soulignent les scientifiques, ce qui rend le réacteur fondamentalement sûr. Les produits d'un tel réacteur seront de l'hélium et du tritium non-dangereux, qui seront ensuite utilisés pour maintenir la réaction elle-même.
«ITER est la porte d'entrée de l'énergie thermonucléaire, par laquelle le monde doit passer». Ces paroles sont celles de l'initiateur du projet, le président honoraire de l'Institut Kourtchatov, l'académicien Evgeny Velikhov. La mission d'ITER, dont l'idée a été avancée au milieu des années 80, est de démontrer la possibilité d'utiliser l'énergie thermonucléaire à l'échelle industrielle.
Le projet compte actuellement sept participants: la Chine, l'Union européenne, l'Inde, le Japon, la Corée du Sud, la Russie et les États-Unis. Le siège d'ITER est situé à Cadarache, dans le sud de la France, à proximité du chantier de construction.
Outre sa contribution fondamentale sur le plan idéologique et technique, ITER, selon les scientifiques, doit à la Russie un certain nombre d'éléments clés, notamment le câble supraconducteur le plus parfait et les meilleurs gyrotrons du monde: des dispositifs permettant de chauffer le plasma à l'aide de rayonnements électromagnétiques à ultra-haute fréquence.
Le difficile défi du tritium
Un mélange d'isotopes de l'hydrogène - deutérium et tritium - sera utilisé comme combustible dans l'ITER. Le deutérium peut être produit relativement facilement à partir d'eau, et le tritium se reproduira dans le réacteur thermonucléaire lui-même. L'ITER, en tant qu'unité expérimentale, ne produira pas encore d'électricité, mais sur des réacteurs thermonucléaires commerciaux, selon les calculs des scientifiques, un gramme de combustible produira la même quantité d'énergie que celle que donnent actuellement 10 à 20 tonnes d'hydrocarbures.
La quantité totale de cet isotope dans la chambre peut être déterminée à partir du bilan des gaz entrants et sortants. Pour une mesure locale plus précise de son contenu dans les parois du réacteur, les scientifiques ont décidé d'utiliser le rayonnement laser: sous son influence se produira une sorte d'«évaporation» de la couche superficielle de la paroi avec la capture et l'analyse subséquentes des particules formées.
Pour résoudre ce problème clé, un laboratoire a été spécialement créé en 2020 à l'Institut des technologies laser et des plasmas de l'Institut national de recherche en mathématiques et en physique, sous la direction d'un jeune scientifique, le professeur associé du département de physique des plasmas Youri Gasparian. «Notre tâche consiste à apprendre à mesurer la concentration d'isotopes d'hydrogène légers et très mobiles au plus faible impact possible sur la paroi du réacteur. Des tests sont prévus à la fois sur des unités de laboratoire et sur le tokamak Globus-M2 à l'Institut physico-technique Ioffe», a déclaré le scientifique.
Poussière dangereuse
L'idée d'une isolation magnétique du plasma dans le champ magnétique toroïdal, c'est-à-dire «en forme de bagel», qui est à la base du tokamak, comme l'expliquent les scientifiques de l'Institut national de recherche en mathématiques et en physique, n'exclut pas la possibilité que des particules et des radiations frappent les parois du réacteur. Sous leur influence, les murs vont séparer les produits d'érosion macroscopiques ou, plus simplement, la poussière.
Les calculs des physiciens montrent que les particules de poussière seront collectées au fond de la chambre de décharge du tokamak, ce qui est dangereux pour le réacteur: la poussière elle-même est susceptible de provoquer des incendies, et en outre, elle accumule activement du tritium radioactif.
Afin de contrôler la quantité et la composition des poussières sans arrêter le réacteur, un groupe de scientifiques de la MEPhI dirigé par le professeur Léon Begrambekov a proposé d'utiliser une sonde spéciale avec un potentiel électrique attaché.
Dans le champ électrique entre la sonde et la surface de la paroi, les particules de poussière seront électrifiées et attirées vers un récepteur spécial. En se déplaçant au-dessus de la surface, la sonde, comme un aspirateur, ramassera la poussière, puis la fera sortir du réacteur par des sas spéciaux.
L'avant-garde scientifique
L'équipe centrale du projet à Cadarache emploie 1.100spécialistes de tous les pays participants, et plusieurs dizaines de milliers d'autres scientifiques et ingénieurs travaillent dans des équipes locales.
«La MEPhI et, en particulier, la chaire de physique des plasmas, est l'une des participants actifs du projet, y compris en matière de formation du personnel. Notre chaire forme, depuis plus d'un demi-siècle, des spécialistes dans le domaine de la physique des plasmas chauds et de la synthèse thermonucléaire contrôlée. Nos diplômés travaillent à la fois dans l'équipe centrale et dans l'équipe locale d'ITER, et la géographie de nos collaborations s'étend presque sur toute la planète», a déclaré Valéry Kurnaev, détenteur de la chaire de physique des plasmas de la MEPhI.
Depuis la création du département, ses spécialistes ont créé des installations qui permettent d'étudier l'interaction du plasma et de ses composants (ions, électrons, atomes neutres) avec divers matériaux. Des théories et des codes pour décrire ces processus ont été développés et un grand nombre de scientifiques ont été formés.
Parmi les travaux déjà réalisés par les spécialistes pour ITER figurent la création d'une méthode de détection spectroscopique des fuites d'eau dans le plasma provenant des éléments refroidis de la première paroi du réacteur, le développement de méthodes pour étudier l'effet de la décharge fumante nettoyante sur les premiers miroirs des systèmes laser de diagnostic, et la création d'écrans de sécurité pour les collecteurs de rayonnements électromagnétiques.
