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LA FUSION: Source prometteuse d’énergie. Claude Boucher. Pourquoi la Fusion ? Besoins énergétiques Changements climatiques Concepts de base Réaction nucléaire Filières : Magnétique , I nertiel Le TOKAMAK ( toroidalnaya kamera magnitnaya )

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Presentation Transcript
slide2
Pourquoi la Fusion ?

Besoins énergétiques

Changements climatiques

Concepts de base

Réactionnucléaire

Filières: Magnétique, Inertiel

Le TOKAMAK (toroidalnaya kamera magnitnaya)

Bilan de puissance de la fournaise thermonucléaire

Temps de confinement

Critère de Lawson

« Break-even » vs « Ignition »

ITER

Centrale électrique

Plan

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

2

consommation mondiale
Consommation mondiale

1 Mtoe = 0.042 EJ

462 EJ

From BP Statistical Review of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

3

pr vision de la demande
Prévision de la demande

IEA World Energy Outlook

www.worldenergyoutlook.org

La demande mondiale croit de 45% d’ici à 2030 – un taux moyen de croissance 1.6% par an – avec le charbon qui représente plus du tiers de l’augmentation

1 Gtoe = 42 EJ

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

4

carburants fossiles rapport entre les r serves et la production r p
Carburants fossiles : Rapport entre les réserves et la production (R/P)

De BP StatisticalReview of World Energy 2008, http://www.bp.com/productlanding.do?categoryId=6929&contentId=7044622

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

5

estimation des r serves des principales ressources non renouvelables
Estimation des réserves des principales ressources non renouvelables

aprévisions pour 2050 sont entre 500 et 800 EJ

b X 10 incluant sources «non-conventionelles»

1 Consortium Fusion Expo Europe

2 Intergovernmental Panel on Climat Change (IPCC http://www.ipcc.ch/ )

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

6

renouvelables
Renouvelables

(Gauche) Production U.S. d’électricité tous carburants confondus, et (Droite) contribution des technologies de la biomasse, éolien, géothermique, et solaire aux sources non-hydro.

Proceedings of the IPCC SCOPING MEETING ON RENEWABLE ENERGY SOURCES, Lübeck, Germany, 20 – 25 January, 2008

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

7

barrage de beauharnois
Puissance : 1 657 MW

Type :Au-fil-de-l’eau

Nombre de turbines : 38

Hauteur : 24 m

Inauguré: 1932-1961

Système hydrologique: Fleuve St-Laurence

Réservoir :Lac Saint-François

Aire du réservoir : 233 km2

Barrage de Beauharnois

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

8

panneaux photovolta ques pv
Panneaux photovoltaïques (PV)

1 GWe à illumination solaire maximum de 1kW/m2

=> 1km x 1km pour efficacité 100%

Efficacité des PV ~10 à 20% avec nouvelles technologies ~40%

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

9

tout renouvelable
Hypothèses 2100

Population = 9 billion

Efficacité élevée 100,000 TWh

Moyenne de 11 TW ≈ actuel

  • Area
    • Solaire = 5,2 million de km2
      • = 56% of Canada or US
      • = 2/3 of Australia
  • Éolien = 0,6 million km2
  • Superficie > France
Tout renouvelable
  • Sources
    • Solair = 40%
    • Éolien = 40%
    • Autres = 20%

Source: G. Lafrance, « Vivreaprès le pétrole mission impossible? » Éditions Multimondes, 2007.

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

10

missions co 2
Émissions CO2

IEA World Energy Outlook

www.worldenergyoutlook.org

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

11

impacts climatiques 1
Impacts climatiques (1)

Changements observés: (a) température de surface moyenne; (b) niveau des océans données de gauges marée (bleu) et satellite (rouge); et (c) Couverture neigeuse de l’hémisphère nord pour mars-avril.

Toutes les différences par rapport aux moyennes correspondantes pour la période 1961-1990. Les courbes lissées représentent des moyennes sur 10 ans et les cercles sur 1 an. Les zones ombragées représentent une estimation de l’incertitude.

IPCC, Climate Change 2007: Synthesis Report (Valencia, Spain, 12-17 November 2007)

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

12

impacts climatiques 2
Impacts climatiques (2)

United Nations Environment Program

SRES (Special Report on Emission Scenarios (IPCC))

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

13

r le des renouvelables
Solair, éolien, biomasse, géothermique, …

Faible densité

~ 20 % de la demande mondiale

Utilisation intensive du terrain

Besoin d’une source propre, abondante et de haute densité

Rôle des “renouvelables”

LA FUSION

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

14

r action d t
Réaction D-T

E = MC2

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

15

efficacit
Efficacité

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

16

quivalence des carburants
Équivalence des carburants

Quantité de carburant requise chaque année dans différents types de centrales (1000 MW)

0.6 tonne

Fusion

1 pick-up truck

150 tonnes

8 semi-trailors

Fission

10,000,000 barrils

Pétrole

7 super tankers, each of length equivalent to the CN tower

Charbon

191 trains de 110 wagons each, for a total length of 400 km

2,100,000 tonnes

De « Fusion, energy for the future », National fusion program, 1991

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

17

r actions de fusion
Réactions de fusion

Section efficace élevée

50%

50%

Section efficace faible

Plus d’autres réactions mais avec des sections efficaces très faibles

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

18

sections efficaces
Sections efficaces

http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/index.html

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

19

production de tritium
Production de Tritium

Le tritium est produit par l’interaction entre les neutrons de fusion et le lithium dans une couverture autour du plasma

Le lithium est abondant dans la nature. La concentration moyenne dans la croute terrestre est ~ 0.004% (mass)

n + 6Li = He +T + 4.8 MeV

n + 7Li = He +T – 2.5 MeV + n

Les “consommables” sont le deuterium et le lithium

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

20

plasma
Plasma
  • La matière est ionisée:
    • électrons (-) et protons (+)
  • Le taux d’ionisation relié à la température:
    • Une température élevée implique absence de neutres
  • Les particules ont des “fonction de distribution ”
  • Les particules chargées tournent autour des lignes de champ magnétique

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

21

taux de r action d t

3

m /sec

Taux de réaction D-T

T en KeV

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

22

g om trie toro dale
Géométrie toroïdale
  • Axes:
    • Toroïdal
    • Poloïdal
    • Radial
  • Propriétés:
    • Élongation
    • Triangularité
    • Rapport d’aspect

e = 1/A = a/R

q = aBf / RBq= e(Bf / Bq)

b = p / (B2 / 2m0)

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

23

confinement magn tique le tokamak
Confinement magnétique: Le tokamak

Bobines toroidales

Circuit primaire

Le tokamak fonctionne un transformateur. Une rampe de courant dans le circuit primaire génère un courant constant (plasma) dans le secondaire

Courant plasma

Circuit secondaire

Champ toroidal

Champ hélicoïdal

Champ poloidal

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

24

sph romak spherical tokamak
Sphéromak (Spherical Tokamak)

MAST

Coûts réduits

Meilleure stabilité (b plus élevé)

http://www.ccfe.ac.uk/MAST.aspx

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

stellarator
Stellarator

Pas de courant dans le plasma

Hélicité fournie par les bobines (couleur cuivre )

18 des 36 bobines toroidales sont montrées

H-1 heliac

http://prl.anu.edu.au/H-1NF/plasma_fusion/

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

confinement inertiel laser
Confinement inertiel: LASER
  • Cibles de quelques mg de DT
  • Impulsion LASER ~MJ
    • NIF
      • Nd:Verre , 500 TW, 1.8 MJ, 0.35 micron (4 MJ, 1.06 micron triplé)
      • 192 faisceaux
  • Compression à 200g/cm3

Cross-sectional view of the KOYO-F fast ignition reactor (Norimatsu et al. US-Japan workshop on Power Plant Studies and related Advanced Technologies)

Article de revue par S Atzeni, Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

national ignition facility nif
National Ignition Facility (NIF)
  • Nd:Verre , 500 TW, 1.8 MJ, 0.35 micron (4 MJ, 1.06 micron triplé)
  • 192 faisceaux dans « hohlraum »
  • « indirect-drive » pour rayons-X

Phys. Plasmas 12, 056316 (2005); doi:10.1063/1.1885003 (8 pages)

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

courbes de gain
Courbes de Gain

Les zones grises illustrent les résultats pour le « indirect-drive » avec différentes valeurs de vitesse d’implosion et de température de radiation. Les deux courbes qui délimitent chaque zone résultent de différentes hypothèses du fini de surface de la capsule. Le point noir illustre le concept de base (« baseline design ») de NIF.

Le point blanc est pour un concept plus récent

Plasma Phys. Control. Fusion 51 (2009) 124029 (14pp)

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

g om tries magn tique
Géométries magnétique

Limiteur

Déflecteur

TEXTOR

TdeV

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

30

tokamaks existants
Tokamaks existants

Source: Pamela-Solano EFDA

http://www.toodlepip.com/tokamak/

All-the-World's Tokamaks

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

tokamak impulsion
Tokamak - impulsion

TOKAMAK

Charge du transformateur

Chute rapide pour claquage

Montée du courant plasma

Chauffage

Ohmic + auxiliary

Plateau,

Descente du courant

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

32

bilan de puissance

alphas

Pa

Pf

neutrons

Pn

P

2

1

/

2

n

a

T

=

R

Bilan de puissance

SOURCES (i)

PERTES (o)

Ions

3/2(nTi)

Po,i

Pi,i

Po =

Pi

Electrons

3/2 (nTe)

Po,e

Pi,e

PR

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

33

temps de confinement break even

=

P

P

P

+

R

i

o

Temps de confinement(Break-even)

Sources = Pertes

« Break-even » quand la puissance dans les produits de fusion est équilibrée celle injectée

Ceci détermine la condition de « break-even » pour le produit ntE

Q = Pf / Pi = 1

P

=

P

i

f

T

t

=

n

1

E

s

-

1

/

2

v

E

a

T

f

4

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

34

temps de confinement ignition
Temps de confinement(Ignition)

=

Pour l’ignition, l’énergie dans les particules a est “recyclée” et chauffe le nouveau D et T injecté.

La réaction de fusion est alors maintenue avec Pi = 0

Q devient infini

P

P

P

+

a

o

R

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

temps de confinement
Temps de confinement

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

36

r sultats
Résultats

De « ContemporaryPhysicsEducation Project »

http://FusEdWeb.pppl.gov

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

37

jet le tokamak le plus grand au monde
JET: LE TOKAMAK LE PLUS GRAND AU MONDE

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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d monstration
Démonstration

Continu

Source: Pamela-Solano, EFDA-JET

Watkins, JET

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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iter historique
1985 Sommet de Genève

1986 début

1988-1990 CDA (Conception) US-EU(Canada)-J-FR

1990-1992 intérim

1992-1998 EDA (Ingénierie) US-EU(Canada)-J-FR

1998-2001 EDA 2 (Ingénierie détaillée ) EU(Canada)-J-FR

2001-2002 CTA (technique, négociations) EU-Canada-J-FR

2005 Sélection du site (Cadarache France)

2007-2019 Construction

2019-2036Expérience

2036 Mise hors service

ITER : Historique

Coûts

8500 M$CAD Construction

8500 M$CAD Expérience

<1000 M$CAD Mise hors service

http://www.iter.org/proj/Pages/ITERMilestones.aspx

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

40

slide41

ITER

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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iter programme
Operation à Q=10 avec fenêtre de paramètres significative pour la longueur d’impulsion cohérent avec les temps caractéristiques.

Operation à Q élevé pour implulsions longues.

Études des opération continues à Q=5

Atteindre l’ignition controllée conditions

ITER : Programme

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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slide43

AUG

JET

ITER

ITER confinement

http://www.tokamak.info/

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

43

slide44

ITER : Diagnostics

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

iter aujourd hui
ITER aujourd’hui

Le 28 février 2009, « ITER Organization » compte 356 employés: 235 professionnels et 121 soutien.

Les sept Parties sont représentés parmi les professionnels:

141 de EU,10 de l’Inde,19 du Japon,15 de la Chine,16 de la Coré,17 de la Russie, et17 des États-Unis.

  • Construction débutée
  • Achats et contrats alloués

http://www.iter.org/newsline/Pages/Archive.aspx

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d fis
Défis
  • Modélisation
  • Matériaux
    • Résistance aux charges et chocs thermiques
    • Activation
  • Couverture T
    • Génération (breeding) > 1
  • Manipulation robotique
    • Assemblage
    • Entretien
  • Taux de répétition
    • Confinement inertiel : 1 à 10 coups par seconde pour
    • Confinement magnétique: décharges de l’ordre de ~1000 sec dans ITER

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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centrale thermonucl aire
Centrale thermonucléaire

Scénario de remplacement du carburant fossile liquide:

Fusion fourni l’électricité nécessaire à la production de l’hydrogène pour les piles à combustible.

De « La fusion thermonucléaire, une chance pour l’humanité », J. Ongena, G. Van Oost et Ph. Mertens, 2001

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conclusion
CONCLUSION

E=mc2

Technologie nucléaire

Fission

FUSION

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slide49

Merci !

boucher@emt.inrs.ca

http://claude.emt.inrs.ca

ACFAS:"Quelle place pour le Québec dans le secteur des énergies renouvelables?"

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