L'apparition d'un réacteur thermonucléaire est attendue depuis plus d'un demi-siècle. Les attentes sont tellement surchauffées qu'une théorie du complot très populaire a surgi, comme si en fait elle avait été inventée il y a longtemps, mais les magnats du pétrole cachent l'invention aux masses pour ne pas perdre de superprofits. Comme toute théorie du complot, une telle théorie ne résiste pas aux critiques et reste un sujet de prose policière. Cependant, comprendre cela ne nie pas la question principale: quand maîtriserons-nous l'énergie thermonucléaire?
SUNNY BOSTER
Une réaction thermonucléaire (ou réaction de fusion nucléaire), dans laquelle des noyaux plus légers sont fusionnés en noyaux plus lourds, a été décrite par des physiciens dans les années 1910. Et pour la première fois, il a été observé par le scientifique anglais Ernst Rutherford. En 1919, il a poussé de l'hélium avec de l'azote à grande vitesse pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène lourd. Cinq ans plus tard, Rutherford a terminé avec succès la synthèse d'hydrogène tritium super-lourd à partir de noyaux d'hydrogène lourds de deutérium. À peu près au même moment, l'astrophysicien Arthur Eddington a avancé une hypothèse audacieuse selon laquelle les étoiles brûlent en raison du cours des réactions thermonucléaires dans leurs profondeurs. En 1937, le scientifique américain Hans Bethe a pu prouver la survenue de réactions thermonucléaires dans le Soleil - par conséquent, Eddington avait raison.
L'idée de reproduire un «feu solaire» sur Terre appartenait au physicien japonais Tokutaro Hagiwara, qui en 1941 suggéra la possibilité d'initier une réaction thermonucléaire entre noyaux d'hydrogène à l'aide d'une réaction en chaîne explosive de fission de l'uranium - c'est-à-dire qu'une explosion atomique devrait créer des conditions (température et pression ultra-élevées) pour démarrer la fusion thermonucléaire. Un peu plus tard, Enrico Fermi, qui a participé à la création de la bombe atomique américaine, est venu à la même idée. En 1946, sous la direction d'Edward Teller, un projet de recherche sur l'utilisation de l'énergie thermonucléaire est lancé au laboratoire de Los Alamos.
Le premier appareil thermonucléaire a explosé par l'armée américaine le 1er novembre 1952 à l'atoll d'Enewetok dans l'océan Pacifique. Nous avons mené une expérience similaire en 1953. Ainsi, l'humanité utilise la fusion thermonucléaire depuis plus de soixante ans, mais uniquement à des fins destructrices. Pourquoi ne pouvez-vous pas l'utiliser plus rationnellement?
MAÎTRES PLASMA
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Du point de vue de l'énergie, la température optimale du plasma dans une réaction thermonucléaire est de 100 millions de degrés. C'est plusieurs fois plus élevé que la température à l'intérieur du Soleil. Comment être?
Les physiciens ont proposé de garder le plasma à l'intérieur d'un «piège magnétique». Au début des années 1950, Andrei Sakharov et Igor Tamm ont calculé la configuration des champs magnétiques capables de comprimer le plasma en un filament mince et de l'empêcher de tomber sur les parois de la chambre. C'est sur la base du schéma qu'ils ont proposé que de nombreux tokamaks ont été créés.
On pense que le terme "TOKAMAK" est originaire d'une abréviation de l'expression "TOroid CAMERA with Magnetic Coils". L'élément principal de conception est en effet les bobines qui créent un champ magnétique puissant. La chambre de travail du tokamak est remplie de gaz. À la suite de la panne sous l'action du champ vortex, une ionisation accrue du gaz dans la chambre se produit, c'est pourquoi il se transforme en plasma. Un filament de plasma est formé qui se déplace le long de la chambre toroïdale et est chauffé par un courant électrique longitudinal. Les champs magnétiques maintiennent le cordon en équilibre et lui donnent une forme qui l'empêche de toucher les murs et de les brûler.
À ce jour, la température du plasma aux tokamaks a atteint 520 millions de degrés. Cependant, l'échauffement est le tout début du voyage. Un tokamak n'est pas une centrale électrique - au contraire, il consomme de l'énergie sans rien donner en retour. Une centrale thermonucléaire doit être construite sur des principes différents.
Tout d'abord, les physiciens ont décidé du carburant. Presque idéale pour un réacteur de puissance est une réaction basée sur la fusion de noyaux d'isotopes d'hydrogène - deutérium et tritium (D + T), à la suite de laquelle un noyau d'hélium-4 et un neutron se forment. L'eau ordinaire servira de source de deutérium et le tritium sera obtenu à partir de lithium irradié avec des neutrons.
Ensuite, le plasma doit être chauffé à 100 millions de degrés et fortement compressé, en restant longtemps dans cet état. Du point de vue de la conception technique, il s'agit d'une tâche incroyablement complexe et coûteuse. C'est la complexité et le coût élevé qui ont freiné le développement de cette direction énergétique pendant longtemps. L'entreprise n'était pas prête à financer un projet d'une telle envergure tant qu'elle n'avait pas confiance en son succès.
LA ROUTE VERS LE FUTUR
L'Union soviétique, où des tokamaks uniques ont été construits, a cessé d'exister, mais l'idée de maîtriser l'énergie thermonucléaire n'est pas morte et les principaux pays se sont rendu compte que le problème ne pouvait être résolu qu'ensemble.
Et maintenant, le premier réacteur thermonucléaire expérimental pour l'ingénierie électrique est en construction aujourd'hui dans le village de Cadarache, dans le sud-est de la France, près de la ville d'Aix-en-Provence. La Russie, les USA, l'Union Européenne, le Japon, la Chine, la Corée du Sud, l'Inde et le Kazakhstan participent à la mise en œuvre de ce grand projet.
À proprement parler, l'installation qui sera construite à Cadarache ne pourra toujours pas fonctionner comme une centrale thermonucléaire, mais elle pourrait rapprocher son heure. Ce n'est pas un hasard s'il s'appelait ITER - cette abréviation signifie International Thermonuclear Experimental Reactor, mais elle a aussi une signification symbolique: en latin iter est une route, une voie. Ainsi, le réacteur de Cadarash devrait ouvrir la voie à l'énergie thermonucléaire du futur, qui assurera la survie de l'humanité après l'épuisement des énergies fossiles.
ITER sera structuré comme suit. Dans sa partie centrale, il y a une chambre toroïdale d'un volume d'environ 2000 m3, remplie de plasma de tritium-deutérium chauffé à des températures supérieures à 100 millions de degrés. Les neutrons générés lors de la réaction de fusion quittent la «bouteille magnétique» et pénètrent à travers la «première paroi» dans l'espace libre de la couverture d'environ un mètre d'épaisseur. À l'intérieur de la couverture, des neutrons entrent en collision avec des atomes de lithium, entraînant une réaction avec la formation de tritium, qui sera produit non seulement pour ITER, mais aussi pour d'autres réacteurs s'ils sont construits. Dans ce cas, la «première paroi» est chauffée par des neutrons à 400 ºC. La chaleur dégagée, comme dans les stations conventionnelles, est reprise par le circuit de refroidissement primaire avec un fluide caloporteur (contenant par exemple de l'eau ou de l'hélium) et transférée vers le circuit secondaire, où se produit de la vapeur d'eaualler aux turbines qui produisent de l'électricité.
L'installation ITER est vraiment une méga-machine. Son poids est de 19 000 tonnes, le rayon intérieur de la chambre toroïdale est de 2 mètres, le rayon extérieur est supérieur à 6 mètres. La construction bat déjà son plein, mais personne ne peut dire avec certitude quand la première production d'énergie positive sera reçue à l'installation. Cependant, ITER prévoit de produire 200 000 kWh, soit l'équivalent de l'énergie contenue dans 70 tonnes de charbon. La quantité de lithium requise est contenue dans une mini-batterie pour un ordinateur et la quantité de deutérium est contenue dans 45 litres d'eau. Et ce sera une énergie absolument propre.
Dans le même temps, le deutérium devrait suffire pour des millions d'années, et les réserves de lithium facilement extraites sont tout à fait suffisantes pour en satisfaire les besoins pendant des centaines d'années. Même si les réserves de lithium dans les roches s'épuisent, les physiciens pourront l'extraire de l'eau de mer.
ITER sera définitivement construit. Et, bien sûr, je suis heureux que notre pays participe à ce projet du futur. Seuls les spécialistes russes ont de nombreuses années d'expérience dans la création de grands aimants supraconducteurs, sans lesquels il est impossible de maintenir le plasma dans le filament: grâce aux tokamaks!
Anton Pervushin