Construire un soleil sur Terre : une étape historique dans le développement de l'énergie de fusion d'ITER

Étape majeure dans les contributions européennes et japonaises au projet d'énergie de fusion ITER.

Le projet de fusion ITER marque une étape importante avec l’achèvement de 19 bobines de champ toroïdal, essentielles au confinement magnétique dans l’énergie de fusion. Développés sur deux décennies dans le cadre d’un effort multinational, ces composants représentent une avancée dans la production d’une source d’énergie propre et abondante. Ce projet témoigne d’une collaboration internationale et d’une innovation technologique exceptionnelles, impliquant plus de 30 pays et de nombreuses entreprises de haute technologie.

Après deux décennies de conception, de production, de fabrication et d'assemblage sur trois continents, le projet historique et multinational d'énergie de fusion ITER célèbre l'achèvement et la livraison de ses bobines de champ toroïdal massives depuis le Japon et l'Europe.

Masahito Moriyama, ministre japonais de l'Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie, et Gilberto Pichetto Fratin, ministre italien de l'Environnement et de la Sécurité énergétique, assisteront à la cérémonie avec des représentants d'autres membres d'ITER.

Comment les bobines du champ toroïdal s'adaptent autour de la chambre à vide du tokamak (y compris à l'échelle humaine). Crédit : ITER

Comment fonctionne la fusion ?

• Une petite quantité de gaz deutérium et de tritium (hydrogène) est injectée dans une grande chambre à vide en forme de beignet, appelée tokamak.
• L'hydrogène est chauffé jusqu'à ce qu'il devienne un atome ionisé. plasmaqui ressemble à un nuage.
• Des aimants supraconducteurs géants, intégrés au tokamak, confinent et façonnent le plasma ionisé, le maintenant à l'écart des parois métalliques.
• Lorsque le plasma d'hydrogène atteint 150 millions de degrés Celsius—dix fois plus chaud que le noyau du Soleil—une fusion se produit.
• Dans la réaction de fusion, une petite quantité de masse est convertie en une énorme quantité d'énergie (E=mc²).
• Les neutrons à très haute énergie, produits par fusion, s'échappent du champ magnétique et frappent les parois métalliques de la chambre du tokamak, transmettant leur énergie aux parois sous forme de chaleur.
• Certains neutrons réagissent avec le lithium présent dans les parois métalliques, créant ainsi davantage de combustible au tritium pour la fusion.
• L'eau qui circule dans les parois du tokamak reçoit la chaleur et est transformée en vapeur. Dans un réacteur commercial, cette vapeur fera tourner des turbines pour produire de l'électricité.
• Des centaines de tokamaks ont été construits, mais ITER est le premier conçu pour produire un plasma « brûlant » ou largement auto-chauffant.

Collaboration mondiale sur l’énergie de fusion

Dix-neuf bobines toroïdales géantes ont été livrées dans le sud de la France. Elles seront des composants clés d'ITER, le méga-projet expérimental de fusion nucléaire qui utilisera le confinement magnétique pour imiter le processus qui alimente le Soleil et les étoiles et fournit à la Terre lumière et chaleur.

La recherche sur la fusion vise à développer une source d’énergie sûre, abondante et respectueuse de l’environnement.

ITER est le fruit d'une collaboration entre plus de 30 pays partenaires : l'Union européenne, la Chine, l'Inde, le Japon, la Corée, la Russie et les États-Unis. La majeure partie du financement d'ITER se fait sous forme de contributions de composants. Cet arrangement incite des entreprises comme Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM et bien d'autres à étendre leur expertise dans les technologies de pointe nécessaires à la fusion.

Les bobines de champ toroïdal en forme de D seront placées autour de la chambre à vide d'ITER, une chambre en forme de beignet appelée tokamak. À l'intérieur de la chambre, les noyaux atomiques légers seront fusionnés pour former des noyaux plus lourds, libérant ainsi une énorme énergie issue de la réaction de fusion.

Le combustible de cette réaction de fusion est constitué de deux formes d’hydrogène, le deutérium et le tritium (DT). Ce combustible sera injecté sous forme de gaz dans le tokamak. En faisant circuler un courant électrique dans le gaz, il devient un plasma ionisé – le quatrième état de la matière, un nuage de noyaux et d’électrons.

Après deux décennies de conception, de production, de fabrication et d'assemblage sur trois continents, le projet historique et multinational d'énergie de fusion ITER célèbre l'achèvement et la livraison de ses bobines de champ toroïdal massives depuis le Japon et l'Europe. Crédit : Fusion for Energy

Ingénierie de l'avenir de l'énergie

Le plasma sera chauffé à 150 millions de degrés, soit dix fois plus que le cœur du Soleil. À cette température, la vitesse des noyaux atomiques légers est suffisamment élevée pour qu'ils entrent en collision et fusionnent. Pour façonner, confiner et contrôler ce plasma extrêmement chaud, le tokamak ITER doit générer une cage magnétique invisible, précisément adaptée à la forme de l'enceinte à vide métallique.

ITER utilise du niobium-étain et du niobium-titane comme matériaux pour ses bobines géantes. Lorsqu'elles sont alimentées en électricité, les bobines deviennent des électroaimants. Lorsqu'elles sont refroidies à l'hélium liquide à -269 degrés Celsius (4 Kelvin), elles deviennent supraconductrices.

Les principaux composants d'ITER

Pour créer les champs magnétiques précis requis, ITER utilise trois réseaux d'aimants différents. Les dix-huit aimants à champ toroïdal en forme de D confinent le plasma à l'intérieur de la cuve. Les aimants à champ poloïdal, un ensemble de six anneaux empilés qui entourent le tokamak horizontalement, contrôlent la position et la forme du plasma.

Au centre du tokamak, le solénoïde central cylindrique génère, à l'aide d'une impulsion d'énergie, un puissant courant dans le plasma. Avec 15 millions d'ampères, le courant plasma d'ITER sera bien plus puissant que tout ce qui est possible dans les tokamaks actuels ou précédents.

Dix bobines ont été fabriquées en Europe, sous les auspices de l'Agence nationale européenne d'ITER, Fusion for Energy (F4E). Huit bobines et une bobine de rechange ont été fabriquées au Japon, gérées par ITER Japon, qui fait partie des Instituts nationaux pour la science et la technologie quantiques (QST).

Chaque bobine terminée est énorme : 17 mètres de haut et 9 mètres de large, et pèse environ 360 tonnes.

Les bobines de champ toroïdal fonctionneront ensemble, en effet, comme un seul aimant : l'aimant le plus puissant jamais fabriqué.

Ils généreront une énergie magnétique totale de 41 gigajoules. Le champ magnétique d'ITER sera environ 250 000 fois plus puissant que celui de la Terre.

Fabrication des bobines de champ toroïdal

Le processus de fabrication a commencé par la production d'un fil de niobium-étain. Plus de 87 000 kilomètres de fil fin ont été nécessaires pour créer 19 bobines de champ toroïdal. Ce fil a été produit en Chine, en Europe, au Japon, en Corée, en Russie et aux États-Unis.

Des centaines de brins de niobium-étain ont été enroulés avec des brins de cuivre dans un amas en forme de corde, puis insérés dans une gaine en acier, avec un canal central pour accueillir le flux forcé d'hélium liquide.

Le résultat – un « câble dans un conduit » ou simplement un « conducteur » – constitue l’élément central des bobines. Ce matériau conducteur a été expédié au Japon et en Europe pour commencer le processus de fabrication.

La fabrication proprement dite a été encore plus difficile. Pour commencer, environ 750 mètres de conducteur ont été pliés en une trajectoire en double spirale et traités thermiquement à 650 degrés Celsius. Le conducteur a ensuite été inséré avec précision dans une « plaque radiale » en forme de D, une structure en acier inoxydable dotée de rainures des deux côtés dans lesquelles le conducteur s'insère.

Le conducteur a été enveloppé et isolé à l'aide de ruban de verre et de Kapton. Des plaques de recouvrement ont été installées et soudées au laser. Cela a créé une « double crêpe », un sous-composant énorme mais délicat composé de deux couches de conducteur. L'ensemble de la double crêpe a ensuite été enveloppé à nouveau dans du ruban isolant et injecté de résine pour renforcer la structure, en utilisant le vide pour éliminer les éventuelles poches d'air.

Au cours de l'étape suivante, sept doubles galettes ont été empilées pour former un « pack d'enroulement », constituant le noyau de l'aimant final. Chaque double galette a été reliée à la suivante pour assurer la continuité électrique. L'ensemble des galettes a été isolé, traité thermiquement et à nouveau injecté de résine.

Enfin, le pack d'enroulement a été inséré dans un boîtier massif en acier inoxydable adapté à cet usage, pesant environ 200 tonnes, suffisamment solide pour résister aux immenses forces qui seront générées pendant le fonctionnement d'ITER.

Plus de 40 entreprises et plus de 000 techniciens experts ont participé à la création des bobines de champ toroïdal (TF). Parmi les principales entreprises européennes, on peut citer :

• ASG Superconductors a fabriqué 70 doubles crêpes TF et 10 packs d'enroulements.
• CNIM a fabriqué 35 plaques radiales TF.
• SIMIC a fabriqué 35 plaques radiales TF et a réalisé 10 bobines TF,
• Iberdrola a coordonné la fabrication de 10 packs d'enroulements de bobines TF.
• Elytt Energy a fabriqué l'outillage pour les doubles crêpes 70 TF.
• BNG a réalisé le test à froid, à 80 Kelvin, de 10 packs d'enroulement TF.

Le Japon a été chargé de fabriquer les 19 boîtiers de bobines TF, dans le cadre d'une collaboration entre Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Energy Systems et Hyundai Heavy Industries. En outre, les principales entreprises impliquées dans la fabrication des bobines TF japonaises sont les suivantes :

• Mitsubishi Electric Corporation a fabriqué 5 packs d'enroulements TF.
• Arisawa Manufacturing a fabriqué tous les rubans isolants.
• Mitsubishi Heavy Industries a terminé 5 bobines TF.
• Toshiba Energy Systems a terminé 4 bobines TF.

« L’achèvement et la livraison des 19 bobines de champ toroïdal d’ITER constituent une réussite monumentale », a déclaré Pietro Barabaschi, directeur général d’ITER. « Nous félicitons les gouvernements membres, les agences nationales d’ITER, les entreprises impliquées et les nombreuses personnes qui ont consacré d’innombrables heures à cette entreprise remarquable. »