Dans l'univers, la fusion thermonucléaire est une réaction courante: elle est la source d'énergie pour les étoiles. Sur Terre, la production d'énergie en utilisant ce processus est difficile en raison de problèmes de contrôle du plasma émettant des quantités importantes d'énergie. Ici, une importance cruciale est la connaissance de l'état actuel du plasma et le pouvoir libéré dans les réactions nucléaires. Dans le réacteur Iter, ces connaissances seront rassemblées par un système de diagnostic de flux de neutrons sophistiqué.
Le réacteur expérimental ITER, qui est en construction depuis plus d'une décennie, est une étape importante dans le développement de l'énergie de fusion: il doit être le premier dispositif utilisant la fusion nucléaire, capable de générer plusieurs fois plus de puissance que nécessaire pour son fonctionnement.
Un élément extrêmement important du système de diagnostic plasma dans ce réacteur – le spectromètre à neutrons haute résolution (HRN) – a été présenté dans la revue Ingénierie et conception de fusion. La conception du spectromètre est un effort conjoint des physiciens et des ingénieurs de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ Pan) à Cracow, de l'Université d'Uppsala et de l'Istituto par la coopération étroite avec l'organisation ITER.
« Le spectromètre que nous avons conçu nous permet de mesurer à la fois le nombre et les énergies de neutrons émis par le plasma à travers toute la gamme de puissance de fusion attendue pour le réacteur Iter. Cela nous fournit des informations sur les proportions de Deuterium et Tritium, Isotopes d'hydrogène qui se combinent entre eux dans la chambre de réaction », explique le Dr Jan Dankowski (IFJ Pan), le premier auteur de l'article du Spectre.
« La mesure de la population de neutrons rapides des deux réactions dominantes dans le plasma est un indicateur direct de la composition de carburant, de la température des ions et de la qualité de la combustion. Dans Iter et Future Reacteurs, ce sera un outil clé pour contrôler et optimiser le fonctionnement des réacteurs.
L'énergie thermonucléaire peut être décrite en toute sécurité comme «vert». L'énergie est générée ici de manière similaire à la manière dont elle est générée à l'intérieur des étoiles, c'est-à-dire par le biais de réactions de fusion nucléaire, dont la plus prometteuse semble être la fusion d'isotopes d'hydrogène (deutérium et tritium) en hélium.
Surtout, le deutérium se trouve en grande quantité dans les océans de la Terre, et le tritium n'est pas nécessaire en grande quantité et pourrait à l'avenir être produit dans le réacteur lui-même (en bombardant le lithium plus facilement disponible avec des neutrons). De plus, la réaction de fusion ne ressemble pas à une chaîne, elle ne peut donc pas conduire à une explosion et à la dispersion de grandes quantités de matières radioactives très nocives. Le risque de contamination environnementale reste donc minime et est principalement limité aux éléments structurels du réacteur eux-mêmes.
Malheureusement, malgré son énorme potentiel, l'énergie de fusion reste dans la phase de recherche et de développement. La mise en œuvre pratique peut prendre plusieurs années – avec la construction de la démo Tokamak, un pont entre les réacteurs expérimentaux et une centrale de fusion.
Les noyaux des isotopes d'hydrogène forment du plasma, qui, étant chargé électriquement, peut être maintenu isolé des parois par un champ magnétique à l'intérieur de la chambre à vide toroïdale du réacteur (ces types de réacteurs sont appelés tokamaks). Actuellement, ce plasma doit également être chauffé pour atteindre une température de 150 millions de Kelvin, ce qui garantit le cours approprié de la réaction. Les neutrons à haute énergie produits pendant la fusion, étant électriquement neutres, s'échappent vers les parois du tokamak, permettant à la majeure partie de l'énergie produite d'être récupérée (et finalement créant du tritium en collisions avec du lithium).
La formation de noyaux d'hélium serait d'une importance fondamentale pour l'efficacité des futurs réacteurs thermonucléaires. Doté d'énergie élevée et chargés électriquement, ils resteraient à l'intérieur du plasma dans le champ magnétique de Tokamak et, dans les collisions ultérieures avec le deutérium et le tritium, diminuerait sa propre énergie, augmentant finalement l'énergie du carburant thermonucléaire. Ce processus réduirait les coûts énergétiques associés au chauffage externe.
Le réacteur Iter – sous la construction à Cadarache, en France, depuis 2007, avec un budget dépassant actuellement 20 milliards de dollars et devrait commencer à fonctionner au milieu de la prochaine décennie – n'utilisera pas encore les noyaux d'hélium pour chauffer le plasma. Malgré cette limitation, il devrait générer jusqu'à dix fois plus d'énergie qu'il ne le consomme, atteignant finalement une puissance de puissance de 500 mégawatts.
Le spectromètre HRNS sera installé derrière une paroi de protection en béton épaisse entourant la chambre de fusion, près d'un ouverture de plusieurs centimètres de diamètre, pour pouvoir détecter les neutrons produits au centre même du plasma. Selon la puissance du réacteur, leur flux variera considérablement, atteignant jusqu'à des centaines de millions de particules par centimètre carré par seconde.
Pendant la mesure, les HRN pourront analyser le spectre de neutrons à partir de la réaction de deutérium-deutérium (neutrons avec une énergie de 2,5 mégaelectronvolts) et de la réaction de deutérium-tritium (neutrons avec une énergie de 14 mégaelectronvolts).
Afin d'assurer le fonctionnement du spectromètre HRNS dans la gamme complète des conditions prévues dans le réacteur ITER, il a dû être divisé en quatre sous-ensembles indépendants. Chacun d'eux est essentiellement un spectromètre séparé, fonctionnant sur différents principes et conçu pour une gamme différente d'intensités de flux de neutrons. Les physiciens du panoramique IFJ travaillent sur le développement du premier sous-ensemble, appelé TPR (Recul de protons à feu mince).
Ici, les neutrons éliminent les protons d'une fine feuille de polyéthylène – et leurs angles de diffusion dépendent des énergies des neutrons. Près de 100 détecteurs de silicium sont responsables uniquement de la détection des protons. Le deuxième sous-ensemble est le spectromètre NDD (Neutron Diamond Detector), où les neutrons sont enregistrés par un tableau de plus d'une douzaine de détecteurs de diamants.
Les deux derniers sous-ensembles, le FTOF (temps de vol vers l'avant) et le BTOF (temps de rétrodiffusion), mesurent les temps de vol des neutrons et estiment leur énergie cinétique en fonction des vitesses déterminées de cette manière, en analysant les neutrons qui maintiennent une direction de mouvement similaire à celle d'origine, et BTOF analysant les neutrons à grands angles.
« Les HRN ont été conçus pour mesurer les neutrons, mais cela ne signifie pas qu'il ne détectera pas d'autres types de rayonnement. quantités de deutérium et de tritium, nous devons bien comprendre l'origine de ce bruit riche « , souligne le professeur Marek Scholz (IFJ Pan).
En raison de l'accès limité au système de mesure pendant l'opération Tokamak, les scientifiques doivent savoir comment interpréter les données entrantes. Ceci est particulièrement important si, pendant la phase de course, certains des détecteurs de l'un des sous-ensembles ou même de l'ensemble du sous-ensemble sont endommagés. Il était également extrêmement important de concevoir des éléments de blindage afin que ni le flux de neutrons ni les parties de l'équipement excité par lui ne contribuent au fonctionnement de sous-systèmes électroniques ou d'autres dispositifs de mesure fonctionnant au voisinage de l'ensemble du spectromètre.
« Le projet a nécessité une énorme quantité de calculs numériques, pas seulement ceux directement liés aux mesures de neutrons. Par exemple, un groupe de notre institut était responsable, entre autres, des calculs de Monte Carlo qui ont permis l'optimisation du rayonnement du spectromètre HRNS en démontrant l'ensemble du système.
« Tout aussi important était le calcul de l'activité radioactive des composants individuels du spectromètre HRNS. Ces connaissances garantissent à la fois le bon fonctionnement de l'appareil et la sécurité du personnel qui l'a exploité », note le Dr Urszula Wiacek, chef du ministère de la physique des transports en radiation au Pan IfJ Pan.
Les scientifiques s'attendent à ce qu'un prototype d'un spectromètre à neutrons à haute résolution pour le réacteur ITER Fusion sera développé dans les deux ans.
