ITER: de toekomst van kernfusie speelt zich af in Frankrijk met de tokamak

© ITER
Gelegen op de Cadarache-site in Saint-Paul-lez-Durance in de Bouches-du-Rhône, is dit project van de kernfusiereactor u misschien niet onbekend! En niet voor niets: ITER is tegenwoordig simpelweg het meest kolossale wetenschappelijke project ter wereld. Maar waar bestaat het precies uit? Wat zijn de voordelen en mogelijke gevaren? Decodering en antwoorden in ons artikel.
Het is op het platteland, ongeveer 40 km ten noorden van Aix-en-Provence, over een oppervlakte van meer dan 42 Ha, dat deze ietwat eigenaardige kernreactor al bijna 10 jaar wordt gebouwd. jaren.

Het grootste wetenschappelijke onderzoeksprogramma ter wereld

ITER, acroniem voor International Thermonuclear Experimental Reactor, is een titanenproject dat acht leden samenbrengt in 35 landen: de Europese Unie en de Verenigde Staten, maar ook Rusland, China, India, Zuid-Korea, Japan, evenals Zwitserland. Het doel: "De haalbaarheid aantonen van kernfusie als een vorm van massale energieproductie".
Bevestigd op 21 november 2006 met de ondertekening van de definitieve overeenkomst op het Élysée, dateert de wens om dit project op te zetten echter niet van gisteren. Het oorspronkelijke idee werd inderdaad zowel aan François Mitterrand als aan Ronald Reagan voorgesteld in 1985 door Mikhaïl Gorbachev, toen de USSR al sinds de jaren zestig Tokamak-prototypes ontwikkelde. Er volgde een lange studie- en ontwerpfase die met name werd vertraagd door de terugtrekking van de Verenigde Staten in 1998 en hun terugkeer in 2003, eveneens vergezeld van China en Zuid-Korea, en vervolgens door de Verenigde Staten. India iets later.

"De ITER-site is een van de grootste civieltechnische werken in aanbouw in Europa"

De keuze van de Cadarache-site voor de bouw van ITER werd goedgekeurd in 2005, het gastland (Frankrijk) zou 40% van de kosten moeten dragen. De toewijzing van het budget werd verdubbeld sinds het ging van 10 miljard euro in 2008 tot bijna 20 miljard in 2016.
Gezien op de tokamak van het ITER-project in aanbouw in april 2018 © ITER
Gelanceerd in 2010, de De ITER-site is sindsdien een van de grootste civieltechnische werken die momenteel in Europa in aanbouw zijn . Meer dan 2.000 werknemers werken elke dag op deze site die het grootste wetenschappelijke onderzoeksprogramma ter wereld zal huisvesten, maar ook zeker een van de meest ambitieuze en complexe,die van het reproduceren van de fysieke reacties die gewoonlijk plaatsvinden in de zon en sterren.

Wat is kernfusie?

Fusie is een nucleaire reactie die, net als splijting, de samenstelling van de kern verandert, met het verschil dat het geen zware kern is die breekt, maar verschillende lichte kernen die samensmelten om om zwaardere atomen te creëren. In zijn natuurlijke staat is fusie een van de verschijnselen die in sterren optreden en ze van energie voorzien. Het wordt dan aangeduid onder de naam stellaire nucleosynthese.Met de extreme omstandigheden die daar heersen (druk, temperaturen), botsen de waterstofatomen waaruit voornamelijk de sterren bestaan, op elkaar en smelten vervolgens samen tot heliumatomen. Bij deze waterstofverbranding komt een aanzienlijke hoeveelheid energie vrij, juist die energie die in het hart van de zon aan het werk is en die al onze dagen verlicht heeft sinds het begin der tijden!
© ITER
Het ITER- project wil dit proces op aarde beheersen dankzij de Tokamak - waar we later wat meer in detail over zullen praten - en zo massaal energie kunnen produceren.

De voordelen van kernfusie

De uitdaging is enorm, net als de inzet van dit project, aangezien het kernfusieproces het mogelijk zou maken om veel meer energie te produceren dan met een eenvoudige kernreactor, maar vooral om de productie van afval aanzienlijk te verminderen. waarvan de radioactieve straling veel lager zal zijn en over een relatief korte periode.

Deuterium en tritium: overvloedige brandstoffen van laag niveau

De atomen die naar verwachting een kernfusiereactie binnen de tokamak zullen veroorzaken, zijn twee isotopen van waterstof: deuterium en tritium . Ter herinnering: de isotoop van een chemisch element is een atoom met hetzelfde atoomnummer en dus dezelfde chemische eigenschappen, of bijna, als het oorspronkelijke element (hetzelfde aantal protonen en elektronen). Hier is het aantal neutronen, deeltjes waaruit de kern bestaat, dat varieert. Daarom is de atomaire massa van een isotoop anders dan het oorspronkelijke chemische element en zijn de fysische eigenschappen niet hetzelfde - in tegenstelling tot de chemische eigenschappen.
Het gebruik van deze atomen heeft veel voordelen.Allereerst is deuterium niet radioactief en zijn bronnen vrijwel onuitputtelijk. Het wordt inderdaad aangetroffen in zoet water maar ook in zeewater, het is dus mogelijk om 33 gram deuterium te extraheren in elke kubieke meter zeewater dankzij een goed gecontroleerde isotopenscheiding bekend onder de naam van het proces van Girdler .
De drie isotopen van waterstof
Tritium zijn inderdaad radioactief, maar de halfwaardetijd (halfwaardetijd) is slechts 12 jaar. Hoewel tritium in zijn natuurlijke staat zeer zeldzaam is, kan het worden geproduceerd door bestraling van lithium, een alkalimetaal dat in grote hoeveelheden in de aardkorst wordt aangetroffen.Om de operationele fase te beginnen, zal ITER niettemin een voorraad tritium gebruiken die afkomstig is van lozingen van zwaarwaterkernreactoren onder druk, zoals het geval is met de Canadese CANDU-reactor.

"In tegenstelling tot kernsplijting veroorzaakt kernfusie geen CO ₂ -uitstoot "

Ten slotte veroorzaakt kernfusie, naast bijna onuitputtelijke bronnen en de productie van laagradioactief afval (ITER-materialen kunnen 100 jaar na de stillegging van de installatie worden gerecycled), geen CO ₂ -uitstoot . De enige emissie is die van helium, een praktisch inert en niet giftig gas.
Ter vergelijking: kernsplijting, dat bestaat uit het splitsen van plutonium- of uraniumatomen, produceert buitengewoon gevaarlijk afval dat, voor sommigen, enkele duizenden of zelfs miljoenen jaren radioactief kan blijven. Hetzelfde geldt voor mijnbouwafvalstoffen waaruit uranium is gewonnen. Deze afvalstoffen vereisen uiterst complexe stortplaatsstructuren (geologische insluiting) en hoewel ze zeer streng worden beheerd, worden ze nog steeds door burgers en door veel onderzoekers gezien als een soort "vergiftigde gift" voor toekomstige generaties. Kernsplijting draagt ​​ook bij aan de CO ₂ -uitstoot , met name voor de winning van grondstoffen. CO ₂ -uitstoot natuurlijkkerncentrales schieten ver achter bij gas- of kolencentrales; ze zijn vergelijkbaar met die van hernieuwbare energiebronnen.

De gevaren van kernfusie

Het is legitiem om veel vragen te stellen over kernfusie en de mogelijke gevaren ervan. De ongevallen die de afgelopen jaren hebben plaatsgevonden, met name Fukushima en Tsjernobyl, hebben een onuitwisbare stempel gedrukt op de menselijke geschiedenis. De vrees voor kernsplijting blijft daarom gelden, ook al worden nucleaire installaties en stortplaatsen over de hele wereld streng gecontroleerd. Bij kernfusie en projecten zoals die van ITER kan het gevaar van een nucleaire op hol geslagen (kettingreactie) echter worden uitgesloten. Met een fusiereactor is geen ongeval van het type Fukushima mogelijk: het plasma dat wordt verkregen in een tokamak is zeer moeilijk te produceren, het geringste incident resulteert automatisch in dehet stoppen van de reactie.
Uitsteeksels van de zon zijn het gevolg van een verstoring van de plasmastroom © NASA / SDO

"Seismische risico's worden vaak benadrukt door critici van het project"

Toch is een kernfusiereactor niet zonder gevaar, de seismische risico's worden bovendien vaak aangedragen door de tegenstanders van het project. De andere vaak aangevoerde argumenten hebben betrekking op de onbekende factor die heerst in het Iter-project dat, zo herinnert het ons eraan, tot doel heeft "de wetenschappelijke en technische haalbaarheid van kernfusie als nieuwe energiebron te bewijzen". Tegenstanders van het project twijfelen dus aan de mogelijke instabiliteit van de tokamak die zou kunnen voortvloeien uit de grote moeilijkheid om een ​​plasma op zeer hoge temperatuur te houden. Volgens hen zou het fenomeen 'verstoring' aanzienlijke schade kunnen toebrengen aan de installatie en in het bijzonder aan de wanden die beryllium bevatten, een giftig metaal met een smeltpunt van slechts 1.280 ° C.

Zoom in op de Tokamak

Een beetje geschiedenis

De tokamak, uitgevonden in de jaren vijftig door de vader van de H-bom, Andrei Sacharov, en kernfysicus Igor Tamm, is een toroïdale magnetische opsluitkamer. Het eerste model, genaamd T1, werd gebouwd in het Kurchatov Institute in Moskou en werd in 1958 in gebruik genomen.

"De tokamak zal over de hele wereld worden ontwikkeld en in het bijzonder in Frankrijk, met de tokamak van Fontenay-aux-Roses"

De eerste resultaten die met deze installatie worden verkregen, zullen in de wetenschappelijke wereld echter worden genegeerd, het is pas 10 jaar later met de publicatie van een nieuwe reeks resultaten dat onderzoekers in veel landen hier serieuze belangstelling voor gaan krijgen. beroemde machine. In de jaren zeventig zal de tokamak over de hele wereld ontwikkeld worden en met name in de Verenigde Staten, maar ook in Frankrijk met de tokamak van Fontenay-aux-Roses (TFR).
De Joint European Torus (JET) in 1991 © EFDA JET
Sindsdien zijn er aanzienlijke vorderingen gemaakt op het gebied van kernfusie. De Joint European Torus (JET) van Culham in het Verenigd Koninkrijk, die in 1983 in gebruik werd genomen, zal - als resultaat van de samenwerking tussen 20 Europese landen - de eerste tokamak zijn die erin slaagt een gecontroleerde fusie te creëren uit een mengsel van deuterium- tritium in 1991, om vervolgens in 1997 de beste energiebalans te verkrijgen met een factor Q = 0,65. Deze factor komt overeen met de geproduceerde energie in relatie tot het verbruikte energie, een factor kleiner dan 1 betekent dat de installatie meer energie verbruikt dan ze produceert. Het doel van installaties als JET, of zelfs de Japanse tokamak JT-60, is om minimaal een factor Q = 1 te behalen, ook wel break-even genoemd.

"De tokamak op de Cadarache-site is de eerste die is uitgerust met supergeleidende magneten"

Meer recentelijk zijn de projecten vermenigvuldigd. De Chinese Academie van Wetenschappen slaagde er bijvoorbeeld in om een ​​waterstofplasma 102 seconden lang op een temperatuur van 50 miljoen graden Celsius te houden. De Tore Supra-tokamak op de Cadarache-site sinds 1988 is de eerste die is uitgerust met supergeleidende magneten om continu krachtige magnetische velden te creëren, en sinds 2003 heeft hij het record voor bedrijfsduur (6 minuten en 30 seconden ). Tore Supra en West, zijn opvolger sinds 2016, vormen een belangrijke stap in de ontwikkeling van ITER.

De ITER Tokamak

Om deze break-even te bereiken en zelfs meer energie te produceren dan een tokamak verbruikt om het plasma tot enkele honderden miljoenen graden Celsius te verwarmen, ontstond al snel het idee van een veel grotere en krachtigere installatie. ontstond in 1986 met de instemming van de Verenigde Staten, Europa en Japan om zich bij het ITER-project aan te sluiten. Het hoofddoel van dit project is om eerst het break-evenpoint, de bekende Q-factor , te overschrijden om te bewijzen dat kernfusie kan worden gebruikt als nieuwe energiebron. Maar de ambities van dit project gaan sindsdien veel verderde ITER-moloch (23.000 ton) zou in staat moeten zijn om voor slechts 50 MW verbruik fusie-energie van 500 megawatt (MW) te produceren, om het plasma te verwarmen tot ongeveer 150 miljoen graden Celsius, een factor Q = 10.

"De ITER-kalender stelt de experimentele productiedatum voor het eerste plasma vast in december 2025"

Zicht op de tokamak en de geïntegreerde systemen van de ITER-installatie © Oak Ridge National Laboratory
De ITER-kalender stelt de datum vast voor de experimentele productie van het eerste plasma in december 2025, deze eerste fase van exploitatie zou talrijke wetenschappelijke ervaringen. De start van de deuterium-tritium-mijnbouw is gepland voor 2035, en tegen die tijd zou ITER op vol vermogen moeten kunnen werken.

DEMO: de opvolger van ITER

Als de experimenten met ITER vruchten afwerpen, kan er tegen 2040 een andere kernfusiereactor in de plaats komen. Dit is DEMO (voor Demonstration Power Plant), een reactor die continu zou moeten draaien en, in tegenstelling tot ITER, worden aangesloten op het elektrische netwerk. Zoals de naam doet vermoeden, wordt het dus een industriële demonstrator waarmee goedkopere prototypes kunnen worden geassembleerd voor commerciële doeleinden. DEMO moet minimaal een fusie-energie van 2 gigawatt kunnen produceren voor een factor Q = 25.
Als we ons aan het schema en het succes van het ITER-project houden, zou de eerste demonstratie van elektriciteitsproductie plaatsvinden in 2048. De uitvoering van een ander project zou volgen,genaamd PROTO, dat zou dienen als een prototype van een energiecentrale.